Hvilefriksjon: definisjon, formel, eksempel

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 17:53

Hver av oss er kjent med manifestasjonen av friksjonskraften. Faktisk er enhver bevegelse i hverdagen, enten det er å gå en person eller å flytte et kjøretøy, umulig uten deltakelsen fra denne kraften. I fysikk er det vanlig å studere tre typer friksjonskrefter. I denne artikkelen vil vi vurdere en av dem, vi vil finne ut hva statisk friksjon er.

Bar på en horisontal overflate

Før vi fortsetter med å svare på spørsmålene, hva er den statiske friksjonskraften og hva er den lik, la oss vurdere et enkelt tilfelle med en stang som ligger på en horisontal overflate.

La oss analysere hvilke krefter som virker på stangen. Den første er vekten av selve varen. La oss betegne den med bokstaven P. Den er rettet vertik alt ned. For det andre er dette reaksjonen til støtten N. Den er rettet vertik alt oppover. Newtons andre lov for saken under behandling vil bli skrevet i følgende form:

ma=P - N.

Minustegnet her reflekterer motsatte retninger av vekt- og støttereaksjonsvektorene. Siden blokken er i ro, er verdien av a null. Det siste betyr at:

P - N=0=>

P=N.

Reaksjonen til støtten balanserer vekten av kroppen og er lik den i absolutt verdi.

Ytre kraft som virker på en stang på en horisontal overflate

La oss nå legge til en fungerende styrke til situasjonen beskrevet ovenfor. La oss anta at en person begynner å skyve en blokk langs en horisontal overflate. La oss betegne denne kraften med bokstaven F. Man kan legge merke til en utrolig situasjon: hvis kraften F er liten, fortsetter stangen å hvile på overflaten til tross for dens virkning. Vekten av kroppen og reaksjonen til støtten er rettet vinkelrett på overflaten, slik at deres horisontale fremspring er lik null. Med andre ord kan ikke kreftene P og N motsette seg F på noen måte. Hvorfor forblir stangen i så fall i ro og beveger seg ikke?

Det må selvsagt være en kraft som er rettet mot kraften F. Denne kraften er den statiske friksjonen. Den er rettet mot F langs en horisontal overflate. Den virker i kontaktområdet mellom den nedre kanten av stangen og overflaten. La oss betegne det med symbolet F_{t. Newtons lov for horisontal projeksjon vil bli skrevet som:}

F=F_t.

Dermed er modulen til den statiske friksjonskraften alltid lik den absolutte verdien av de ytre kreftene som virker langs den horisontale overflaten.

Start av taktbevegelse

For å skrive ned formelen for statisk friksjon, la oss fortsette eksperimentet startet i de forrige avsnittene i artikkelen. Vi vil øke den absolutte verdien av den ytre kraften F. Baren vil fortsatt være i ro en stund, men det vil komme et øyeblikk da den begynner å bevege seg. På dette tidspunktet vil den statiske friksjonskraften nå sin maksimale verdi.

For å finne denne maksimale verdien, ta en annen stolpe nøyaktig den samme som den første og legg den på toppen. Kontaktområdet til stangen med overflaten har ikke endret seg, men vekten er doblet. Det ble eksperimentelt funnet at kraften F for løsgjøring av stangen fra overflaten også doblet seg. Dette faktum gjorde det mulig å skrive følgende formel for statisk friksjon:

F_t=µ_sP.

Det vil si at den maksimale verdien av friksjonskraften viser seg å være proporsjonal med vekten til kroppen P, der parameteren µ_s fungerer som en proporsjonalitetskoeffisient. Verdien µ_{s kalles den statiske friksjonskoeffisienten.}

Siden kroppsvekten i eksperimentet er lik støttereaksjonskraften N, kan formelen for F_{t skrives om som følger:}

F_t=µ_sN.

I motsetning til det forrige, kan dette uttrykket alltid brukes, selv når kroppen er på et skråplan. Modulen til den statiske friksjonskraften er direkte proporsjonal med støttereaksjonskraften som overflaten virker på kroppen med.

Fysiske årsaker til makt Ft

Spørsmålet om hvorfor statisk friksjon oppstår er komplekst og krever vurdering av kontakt mellom legemer på mikroskopisk og atomært nivå.

Generelt er det to fysiske årsaker til maktF_t:

Mekanisk interaksjon mellom topper og bunner.
Fysisk-kjemisk interaksjon mellom atomer og molekyler i legemer.

Uansett hvor glatt overflaten er, har den uregelmessigheter og inhomogeniteter. Grovt sett kan disse inhomogenitetene representeres som mikroskopiske topper og bunner. Når toppen av en kropp faller inn i hulrommet til en annen kropp, oppstår mekanisk kobling mellom disse kroppene. Et stort antall mikroskopiske koblinger er en av årsakene til at det oppstår statisk friksjon.

Den andre grunnen er den fysiske og kjemiske interaksjonen mellom molekylene eller atomene som utgjør kroppen. Det er kjent at når to nøytrale atomer nærmer seg hverandre, kan noen elektrokjemiske interaksjoner oppstå mellom dem, for eksempel dipol-dipol eller van der Waals-interaksjoner. I det øyeblikket bevegelsen begynner, blir stangen tvunget til å overvinne disse interaksjonene for å bryte bort fra overflaten.

Features of Ft-styrke

Virkningen av den statiske friksjonskraften

Det er allerede nevnt ovenfor hva den maksimale statiske friksjonskraften er lik, og også dens virkeretning er indikert. Her lister vi opp andre kjennetegn ved mengden F_t.

Hvilefriksjon avhenger ikke av kontaktområdet. Det bestemmes utelukkende av reaksjonen til støtten. Jo større kontaktflate, jo mindre deformasjon av mikroskopiske topper og bunner, men jo større antall. Dette intuitive faktum forklarer hvorfor maksimum F_{tt ikke vil endres hvis linjen snus til kanten med den minsteområde.}

Hvilefriksjon og glidefriksjon er av samme natur, beskrevet med de samme formlene, men den andre er alltid mindre enn den første. Glidfriksjon oppstår når blokken begynner å bevege seg langs overflaten.

Force F_t er en ukjent mengde i de fleste tilfeller. Formelen som er gitt ovenfor tilsvarer maksimalverdien til F_t i det øyeblikket linjen begynner å bevege seg. For å forstå dette faktum klarere, er det nedenfor en graf over avhengigheten av kraften F_{t av den ytre påvirkningen F.}

Det kan sees at med økende F øker den statiske friksjonen lineært, når et maksimum, og avtar så når kroppen begynner å bevege seg. Under bevegelsen er det ikke lenger mulig å snakke om kraften F_{t, siden den er erstattet av glidende friksjon.}

Til slutt, den siste viktige egenskapen til F_t-styrken er at den ikke er avhengig av bevegelseshastigheten (ved relativt høye hastigheter, F_treduseres).

friksjonskoeffisient µs

Siden µ_{s vises i formelen for friksjonsmodulen, bør det sies noen ord om det.}

Friksjonskoeffisienten µ_s er en unik egenskap for de to overflatene. Det er ikke avhengig av kroppsvekt, det bestemmes eksperimentelt. For et tre-tre-par varierer det for eksempel fra 0,25 til 0,5 avhengig av tretype og kvaliteten på overflatebehandlingen av gnidelegemer. For voksede treoverflater påvåt snø µ_{s=0,14, og for menneskelige ledd har denne koeffisienten svært lave verdier (≈0,01).}

Uansett verdien av µ_s for materialeparet som vurderes, vil en lignende glidefriksjonskoeffisient µ_{k alltid være mindre. For eksempel, når du skyver et tre på et tre, er det lik 0,2, og for menneskelige ledd overskrider det ikke 0,003.}

Deretter vil vi vurdere løsningen av to fysiske problemer der vi kan bruke den ervervede kunnskapen.

Bar på en skrå overflate: kraftberegning Ft

Den første oppgaven er ganske enkel. La oss anta at en treblokk ligger på en treoverflate. Dens masse er 1,5 kg. Overflaten er skråstilt i en vinkel på 15o mot horisonten. Det er nødvendig å bestemme den statiske friksjonskraften hvis det er kjent at stangen ikke beveger seg.

Fangsten med dette problemet er at mange begynner med å beregne reaksjonen til støtten, og deretter bruke referansedataene for friksjonskoeffisienten µ_s, og bruke ovenstående formel for å bestemme maksimalverdien til F _t. I dette tilfellet er imidlertid ikke F_{t maksimum. Modulen er bare lik den ytre kraften, som har en tendens til å flytte stangen fra sin plass nedover i planet. Denne styrken er:}

F=mgsin(α).

Da vil friksjonskraften F_t være lik F. Ved å erstatte dataene med likhet, får vi svaret: den statiske friksjonskraften på et skråplan F _{t=3,81 newton.}

Bar på en skrå overflate: beregningmaksimal tiltvinkel

La oss nå løse følgende problem: en trekloss er på et skråplan av tre. Forutsatt at friksjonskoeffisienten er lik 0,4, er det nødvendig å finne den maksimale helningsvinkelen α for planet til horisonten, der stangen vil begynne å gli.

Sliding vil starte når projeksjonen av kroppsvekten på flyet blir lik den maksimale statiske friksjonskraften. La oss skrive den tilsvarende betingelsen: