Når de løser noen problemer i fysikk der det er objekter i bevegelse, snakker de alltid om friksjonskrefter. De blir enten tatt i betraktning eller de blir neglisjert, men ingen tviler på at de er tilstede. I denne artikkelen vil vi vurdere hva momentet for friksjonskrefter er, og også gi problemer for å eliminere som vi vil bruke kunnskapen vi har fått.
Friksjonens kraft og dens natur
Alle forstår at hvis en kropp beveger seg på overflaten av en annen på absolutt noen måte (sklir, ruller), så er det alltid en kraft som hindrer denne bevegelsen. Det kalles dynamisk friksjonskraft. Årsaken til dens forekomst er relatert til det faktum at noen kropper har mikroskopisk ruhet på overflatene. Når to gjenstander kommer i kontakt, begynner deres ruhet å samhandle med hverandre. Denne interaksjonen er både av mekanisk natur (toppen faller ned i bunnen) og skjer på atomnivå (dipolattraksjon, van der Waals ogandre).
Når kroppene i kontakt er i ro, for å sette dem i bevegelse i forhold til hverandre, er det nødvendig å bruke en kraft som er større enn den for å opprettholde glidningen av disse kroppene over hverandre ved en konstant hastighet. Derfor, i tillegg til den dynamiske kraften, vurderes også den statiske friksjonskraften.
Egenskaper til friksjonskraft og formler for beregningen
Skolefysikkkurset sier at friksjonslovene for første gang ble utt alt av den franske fysikeren Guillaume Amonton på 1600-tallet. Faktisk begynte dette fenomenet å bli studert på slutten av 1400-tallet av Leonardo da Vinci, med tanke på et objekt i bevegelse på en jevn overflate.
Egenskapene til friksjon kan oppsummeres som følger:
- friksjonskraften virker alltid mot kroppens bevegelsesretning;
- verdien er direkte proporsjonal med støttereaksjonen;
- det avhenger ikke av kontaktområdet;
- det avhenger ikke av bevegelseshastigheten (for lave hastigheter).
Disse trekk ved fenomenet som vurderes tillater oss å introdusere følgende matematiske formel for friksjonskraften:
F=ΜN, der N er reaksjonen til støtten, Μ er proporsjonalitetskoeffisienten.
Verdien av koeffisienten Μ avhenger utelukkende av egenskapene til overflatene som gnis mot hverandre. Tabell over verdier for noen overflater er gitt nedenfor.
For statisk friksjon brukes samme formel som ovenfor, men verdiene til koeffisientene Μ for de samme flatene vil være helt forskjellige (de er større,enn for å skyve).
Et spesielt tilfelle er rullefriksjon, når en kropp ruller (ikke glir) på overflaten av en annen. For makt i dette tilfellet, bruk formelen:
F=fN/R.
Her er R radiusen til hjulet, f er rullekoeffisienten, som ifølge formelen har lengdedimensjonen, som skiller den fra den dimensjonsløse Μ.
styrkeøyeblikk
Før du svarer på spørsmålet om hvordan man bestemmer øyeblikket for friksjonskrefter, er det nødvendig å vurdere selve det fysiske konseptet. Kraftmomentet M forstås som en fysisk størrelse, som er definert som produktet av armen og verdien av kraften F påført den. Nedenfor er et bilde.
Her ser vi at påføring av F på skulder d, som er lik lengden på skiftenøkkelen, skaper et dreiemoment som får den grønne mutteren til å løsne.
Dermed er formelen for kraftøyeblikket:
M=dF.
Merk at karakteren til kraften F ikke spiller noen rolle: den kan være elektrisk, gravitasjonsmessig eller forårsaket av friksjon. Det vil si at definisjonen av momentet for friksjonskraften vil være den samme som er gitt i begynnelsen av avsnittet, og den skrevne formelen for M forblir gyldig.
Når vises friksjonsmomentet?
Denne situasjonen oppstår når tre hovedbetingelser er oppfylt:
- For det første må det være et roterende system rundt en eller annen akse. Det kan for eksempel være et hjul som beveger seg på asf alt, eller som snurrer horisont alt på en aksel.lokalisert grammofonmusikkplate.
- For det andre må det være friksjon mellom det roterende systemet og et medium. I eksemplene ovenfor: hjulet utsettes for rullefriksjon når det samhandler med asf altoverflaten; hvis du legger en musikkplate på et bord og snurrer den, vil den oppleve glidende friksjon på overflaten av bordet.
- For det tredje bør den fremkommende friksjonskraften ikke virke på rotasjonsaksen, men på de roterende elementene i systemet. Hvis kraften har en sentral karakter, det vil si at den virker på aksen, så er skulderen null, så den vil ikke skape et øyeblikk.
Hvordan finner jeg friksjonsmomentet?
For å løse dette problemet må du først finne ut hvilke roterende elementer som påvirkes av friksjonskraften. Deretter bør du finne avstanden fra disse elementene til rotasjonsaksen og finne ut hva friksjonskraften som virker på hvert element er. Etter det er det nødvendig å multiplisere avstandene ri med de tilsvarende verdieneFi og legge sammen resultatene. Som et resultat blir det totale momentet for rotasjonsfriksjonskrefter beregnet ved hjelp av formelen:
M=∑riFi.
Her er n antall friksjonskrefter som oppstår i rotasjonssystemet.
Det er interessant å merke seg at selv om M er en vektormengde, bør retningen derfor tas i betraktning når du legger til momenter i skalarform. Friksjon virker alltid mot rotasjonsretningen, så hvert øyeblikk Mi=riFi vil ha ett og samme tegn.
Deretter skal vi løse to problemer der vi brukerbetraktet formler.
Rotasjon av kvernskiven
Det er kjent at når en slipeskive med en radius på 5 cm kutter metall, roterer den med konstant hastighet. Det er nødvendig å bestemme hvilket kraftmoment den elektriske motoren til enheten skaper hvis friksjonskraften på metallet på skiven er 0,5 kN.
Siden disken roterer med konstant hastighet, er summen av alle kreftmomenter som virker på den lik null. I dette tilfellet har vi bare 2 øyeblikk: fra den elektriske motoren og fra friksjonskraften. Siden de virker i forskjellige retninger, kan vi skrive formelen:
M1- M2=0=> M1=M 2.
Siden friksjon kun virker ved kontaktpunktet mellom slipeskiven og metallet, det vil si i en avstand r fra rotasjonsaksen, er kraftmomentet lik:
M2=rF=510-2500=25 Nm.
Siden den elektriske motoren skaper samme dreiemoment, får vi svaret: 25 Nm.
Treplaterulling
Det er en skive laget av tre, dens radius r er 0,5 meter. Denne platen begynner å rulle på en treoverflate. Det er nødvendig å beregne hvilken avstand den kan overvinne hvis dens opprinnelige rotasjonshastighet ω var 5 rad/s.
Den kinetiske energien til et roterende legeme er:
E=Iω2/2.
Her er jeg treghetsmomentet. Den rullende friksjonskraften vil få skiven til å bremse ned. Arbeidet som gjøres av det kan beregnesi henhold til følgende formel:
A=Mθ.
Her er θ vinkelen i radianer som skiven kan dreie under bevegelsen. Kroppen vil rulle til all dens kinetiske energi er brukt på friksjonsarbeidet, det vil si at vi kan sette likhetstegn mellom de skrevne formlene:
Iω2/2=Mθ.
Treghetsmomentet til disk I er mr2/2. For å beregne øyeblikket M av friksjonskraften F, bør det bemerkes at den virker langs kanten av skiven ved kontaktpunktet med treoverflaten, det vil si M=rF. I sin tur er F=fmg / r (reaksjonskraften til støtten N er lik vekten av skiven mg). Ved å erstatte alle disse formlene i den siste likheten får vi:
mr2ω2/4=rfmg/rθ=>θ=r 2ω2/(4fg).
Siden avstanden L tilbakelagt av skiven er relatert til vinkelen θ ved uttrykket L=rθ, får vi den endelige likheten:
L=r3ω2/(4fg).
Verdien av f finnes i tabellen for rullefriksjonskoeffisienter. For et tre-tre-par er det lik 1,510-3m. Vi erstatter alle verdiene, vi får:
L=0, 5352/(41, 510-3 9, 81) ≈ 53,1 m.
For å bekrefte riktigheten av den endelige formelen, kan du kontrollere at lengdeenhetene er oppnådd.
