Zjawisko tarcia w życiu człowieka odgrywa zarówno pozytywną, jak i negatywną rolę. Z jednej strony bez jego obecności ruch byłby niemożliwy, z drugiej strony na skutek tarcia dochodzi do ogromnych strat energii i materiałów roboczych. W artykule rozważymy z punktu widzenia fizyki, czym jest tarcie, a także jak znaleźć współczynnik tarcia.
Zjawisko tarcia
Tarcie to zjawisko kontaktu, które występuje w strefie kontaktu różnych ciał i przeciwdziała ich wzajemnym ruchom.
W mechanice ruchu ciał stałych rozróżnia się trzy rodzaje tarcia:
- działanie w spoczynku;
- działanie podczas przesuwania powierzchni po sobie;
- spowodowane przez toczące się ciała.
Spoczynkowe tarcie występuje, gdy przyłożymy zewnętrzną siłę styczną do powierzchni ciała, aby ją przesunąć. Uderzającym przykładem tarcia ślizgowego jest ślizganie się nart na śniegu. Wreszcie tarcie podczas walcowaniaobjawia się, gdy koło pojazdu toczy się po drodze.
Wzór na określenie siły tarcia
W fizyce wymienione rodzaje tarcia są opisane tym samym wzorem podczas obliczania działających sił. Ta formuła wygląda tak:
Ft=µN.
Siła tarcia Ft jest równa iloczynowi współczynnika tarcia µ i reakcji podporowej N. Rozważając odpowiedni rodzaj tarcia, tylko wartość współczynnika µ, który jest wielkością bezwymiarową, zmienia się.
W przypadku statycznych i ślizgowych sił tarcia, wartość µ wynosi około dziesiątych części jednostki. µ zależy od materiałów, z którymi się styka, od chropowatości ich powierzchni i nie zależy od powierzchni styku ani prędkości poślizgu.
Dla tarcia tocznego współczynnik µ (zwykle oznaczany jako CR) zależy od charakterystyki sprężystości korpusu tocznego, jego twardości, promienia toczenia i innych czynniki. W przypadku większości materiałów ten współczynnik toczenia wynosi setne i tysięczne części jedności.
Ponieważ istnieje wiele czynników wpływających na wartość µ, nie ma określonego matematycznego wzoru na jego obliczenie. Odpowiadając na pytanie, jak znaleźć współczynnik tarcia, należy stwierdzić, że jest on mierzony eksperymentalnie.
Wyznaczanie współczynnika µ
W tym paragrafie rozważymy dwa sposoby praktycznego określenia wartości µ na przykładzie tarcia ślizgowego i spoczynkowego.
Pierwszy sposób odpowiedzi na pytanie, jak znaleźć współczynnik tarcia,polega na umieszczeniu pręta na płaszczyźnie poziomej, do którego przymocowany jest dynamometr. Pręt i płaszczyzna wykonane są z badanej pary materiałów, m.in. szkła i drewna. Równomiernie przesuwając sztangę, trzymając dynamometr, można określić siłę przesuwu Ft. Znając masę m pręta, współczynnik µ oblicza się w następujący sposób:
µ=Ft / (mg).
Druga metoda jest wygodna do określenia µ dla tarcia statycznego. Aby to zrobić, musisz umieścić pasek na płaszczyźnie poziomej. Następnie jeden koniec samolotu należy powoli unieść, przechylając go pod pewnym kątem do horyzontu. Pod pewnym kątem θ pręt zacznie zsuwać się z powierzchni. Mierząc ten kąt, współczynnik tarcia µ można wyznaczyć z równania:
µ=tg(θ).
Pomiar µ dla tarcia tocznego wymaga użycia bardziej wyrafinowanego ustawienia zwanego wahadłem pochyłym. Obliczenie µ w tym przypadku odbywa się poprzez badanie równań dynamiki ruchu.
