Jak znaleźć współczynnik tarcia: metody eksperymentalne

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 17:54

Tarcie to proces fizyczny, bez którego sam ruch w naszym świecie nie mógłby istnieć. W fizyce, aby obliczyć bezwzględną wartość siły tarcia, konieczne jest poznanie specjalnego współczynnika dla rozważanych powierzchni trących. Jak znaleźć współczynnik tarcia? Ten artykuł odpowie na to pytanie.

Tarcia w fizyce

Przed udzieleniem odpowiedzi na pytanie, jak znaleźć współczynnik tarcia, należy zastanowić się, czym jest tarcie i jaką siłą się charakteryzuje.

W fizyce istnieją trzy rodzaje tego procesu, który zachodzi między obiektami stałymi. To jest tarcie spoczynku, ślizganie się i toczenie. Tarcie występuje zawsze, gdy siła zewnętrzna próbuje poruszyć obiekt. Tarcie ślizgowe, jak sama nazwa wskazuje, występuje, gdy jedna powierzchnia ślizga się po drugiej. Wreszcie tarcie toczne występuje, gdy okrągły przedmiot (koło, kulka) toczy się po jakiejś powierzchni.

To, co łączy wszystkie typy, to fakt, że powstrzymują każdegoruch i punkt przyłożenia ich sił znajduje się w obszarze styku powierzchni dwóch obiektów. Ponadto wszystkie te typy przekształcają energię mechaniczną w ciepło.

Siły ślizgowe i tarcia statycznego są spowodowane mikroskopijną chropowatością powierzchni, które się ocierają. Ponadto te typy są spowodowane dipolem-dipolem i innymi rodzajami interakcji między atomami i cząsteczkami, które tworzą ciała trące.

Przyczyna tarcia tocznego jest związana z histerezą odkształcenia sprężystego, które pojawia się w miejscu styku obiektu tocznego z powierzchnią.

Siła tarcia i współczynnik tarcia

Wszystkie trzy rodzaje sił tarcia ciał stałych są opisane wyrażeniami, które mają tę samą formę. Oto ona:

F_t=µ_tN.

Tutaj N jest siłą działającą prostopadle do powierzchni ciała. Nazywa się to reakcją wsparcia. Wartość µ_{t- nazywana jest współczynnikiem odpowiedniego typu tarcia.}

Współczynniki tarcia ślizgowego i spoczynkowego są wielkościami bezwymiarowymi. Można to zrozumieć, patrząc na równość siły tarcia i współczynnika tarcia. Lewa strona równania jest wyrażona w niutonach, prawa strona również w niutonach, ponieważ N jest siłą.

Jeśli chodzi o tarcie toczne, współczynnik dla niego będzie również wartością bezwymiarową, jednak jest on definiowany jako stosunek liniowej charakterystyki odkształcenia sprężystego do promienia obiektu tocznego.

Należy powiedzieć, że typowe wartości współczynników tarcia ślizgowego i spoczynkowego to dziesiąte części jednostki. Do tarciatoczenia, współczynnik ten odpowiada setnym i tysięcznym części jednostki.

Jak znaleźć współczynnik tarcia?

Współczynnik µ_{tzależy od wielu czynników, które trudno matematycznie uwzględnić. Wymieniamy niektóre z nich:}

• materiał powierzchni trących;
• jakość powierzchni;
• obecność brudu, wody itp.;
• temperatury powierzchni.

Dlatego nie ma wzoru na µ_t i należy go zmierzyć doświadczalnie. Aby zrozumieć, jak znaleźć współczynnik tarcia, należy go wyrazić ze wzoru na F_{t. Mamy:}

µ_t =F_t/N.

Okazuje się, że aby poznać µ_{t należy znaleźć siłę tarcia i reakcję podporową.}

Odpowiadający eksperyment przeprowadza się w następujący sposób:

1. Weź ciało i samolot, na przykład wykonane z drewna.
2. Przyczep dynamometr do ciała i równomiernie przesuwaj go po powierzchni.

W tym samym czasie dynamometr wykazuje pewną siłę równą F_{t. Reakcja podłoża jest równa ciężarowi ciała na poziomej powierzchni.}

Opisana metoda pozwala zrozumieć, jaki jest współczynnik tarcia statycznego i ślizgowego. Podobnie można eksperymentalnie określić µ_ttoczenie.

Inna eksperymentalna metoda określania µ_{t jest podana w formie problemu w następnym akapicie.}

Problem z obliczeniem µt

Drewniana belka znajduje się na szklanej powierzchni. Płynnie przechylając powierzchnię, odkryliśmy, że ślizganie się belki zaczyna się przy kącie nachylenia 15o. Jaki jest współczynnik tarcia statycznego pary drewno-szkło?

Gdy belka znajdowała się na pochyłej płaszczyźnie w 15o, wtedy pozostała siła tarcia dla niej miała wartość maksymalną. Jest równy:

F_t=mgsin(α).

Siła N jest określona wzorem:

N=mgcos(α).

Stosując wzór na µ_{t, otrzymujemy:}

µ_t=F_{t/N=mgsin(α)/(mgcos(α))=tg(α).}

Zastępując kąt α, otrzymujemy odpowiedź: µ_{t=0, 27.}