Friksjonskraften er en fysisk størrelse som forhindrer enhver bevegelse av kroppen. Det oppstår som regel når legemer beveger seg i fast, flytende og gassformig materiale. Ulike typer friksjonskrefter spiller en viktig rolle i menneskelivet, siden de forhindrer en overdreven økning i kroppens hastighet.
Klassifisering av friksjonskrefter
I det generelle tilfellet beskrives alle typer friksjonskrefter av tre typer: friksjonskraften ved glidning, rulling og hvile. Den første er statisk, de to andre er dynamiske. Friksjon i hvile forhindrer kroppen i å begynne å bevege seg, i sin tur, når den glir, eksisterer friksjon når kroppen gni mot overflaten til en annen kropp under bevegelsen. Rullefriksjon oppstår når en rund gjenstand beveger seg. La oss ta et eksempel. Et slående eksempel på typen (rullende friksjonskraft) er bevegelsen av bilhjul på asf alt.
Friksjonskreftenes natur er eksistensen av mikroskopiske ufullkommenheter mellom gnideflatene til to kropper. Av denne grunn virker den resulterende kraften påen gjenstand som beveger seg eller begynner å bevege seg, består av summen av kraften av normalreaksjonen til støtten N, som er rettet vinkelrett på overflaten av kontaktlegemene, og av friksjonskraften F. Sistnevnte er rettet parallelt med kontaktflate og er motsatt av kroppens bevegelse.
Friksjon mellom to faste stoffer
Når man vurderer spørsmålet om forskjellige typer friksjonskrefter, ble følgende mønstre observert for to faste legemer:
- Friksjonskraften er rettet parallelt med støtteflaten.
- Friksjonskoeffisienten avhenger av typen av kontaktflatene, samt deres tilstand.
- Maksimal friksjonskraft er i direkte proporsjon med normalkraften eller støttereaksjonen som virker mellom kontaktflatene.
- For de samme kroppene er friksjonskraften større før kroppen begynner å bevege seg og avtar så når kroppen begynner å bevege seg.
- Friksjonskoeffisienten avhenger ikke av kontaktområdet, og praktisk t alt ikke avhengig av glidehastigheten.
lover
For å oppsummere det eksperimentelle materialet om bevegelseslovene, har vi etablert følgende grunnleggende lover angående friksjon:
- Motstanden mot å gli mellom to legemer er proporsjonal med normalkraften som virker mellom dem.
- Motstand mot bevegelse mellom gnidelegemer er ikke avhengig av kontaktområdet mellom dem.
For å demonstrere den andre loven, kan vi gi følgende eksempel: Hvis du tar en blokk og flytter den ved å gli på overflaten, er den nødvendige kraften for en slik bevegelsevil være den samme når blokken ligger på overflaten med langsiden, og når den står med enden.
Lovene om ulike typer friksjonskrefter i fysikk ble oppdaget på slutten av 1400-tallet av Leonard da Vinci. Så ble de glemt i lang tid, og først i 1699 ble de gjenoppdaget av den franske ingeniøren Amonton. Siden den gang har friksjonslovene bæret navnet hans.
Hvorfor er friksjonskraften større enn ved å skli i hvile?
Når man vurderer flere typer friksjonskrefter (hvile og glidning), bør det bemerkes at den statiske friksjonskraften alltid er mindre enn eller lik produktet av den statiske friksjonskoeffisienten og reaksjonskraften til støtten. Friksjonskoeffisienten bestemmes eksperimentelt for disse gnidematerialene og føres inn i de aktuelle tabellene.
Dynamisk kraft beregnes på samme måte som statisk kraft. Bare i dette tilfellet brukes friksjonskoeffisienten spesielt for glidning. Friksjonskoeffisienten er vanligvis betegnet med den greske bokstaven Μ (mu). Dermed er den generelle formelen for begge friksjonskreftene: Ftr=ΜN, der N er støttereaksjonskraften.
Forskjellene mellom disse typer friksjonskrefter er ikke nøyaktig fastslått. Imidlertid tror de fleste forskere at den statiske friksjonskraften er større enn for å skli, fordi når kroppene er i ro i forhold til hverandre en stund, kan det dannes ioniske bindinger eller mikrofusjoner av individuelle punkter på overflatene mellom overflatene deres. Disse faktorene forårsaker en økning i statisk elektrisitetindikator.
Et eksempel på flere typer friksjonskraft og deres manifestasjon er stempelet i sylinderen til en bilmotor, som "loddes" til sylinderen hvis motoren ikke går på lenge.
Horisontal skyvekropp
La oss få bevegelsesligningen for et legeme som, under påvirkning av en ytre kraft Fin, begynner å bevege seg langs overflaten ved å gli. I dette tilfellet virker følgende krefter på kroppen:
- Fv – ekstern kraft;
- Ftr – friksjonskraft som er motsatt i retning av kraften Fv;
- N er reaksjonskraften til støtten, som i absolutt verdi er lik vekten av kroppen P og er rettet mot overflaten, det vil si i rett vinkel på den.
Ta hensyn til retningene til alle krefter, skriver vi Newtons andre lov for dette tilfellet av bevegelse: Fv - Ftr=ma, hvor m - kroppsmasse, a - akselerasjon av bevegelse. Når vi vet at Ftr=ΜN, N=P=mg, hvor g er akselerasjonen for fritt fall, får vi: Fv – Μmg=ma. Når vi uttrykker akselerasjonen som det glidende legemet beveger seg med, får vi: a=F i / m – Μg.
Bevegelse av en stiv kropp i en væske
Når man vurderer hvilke typer friksjonskrefter som finnes, bør man nevne et viktig fenomen i fysikk, som er beskrivelsen av hvordan et fast legeme beveger seg i en væske. I dette tilfellet snakker vi om aerodynamisk friksjon, som bestemmes avhengig av hastigheten til kroppen i væsken. Det er to typer bevegelse:
- Nåren stiv kropp beveger seg med lav hastighet, man snakker om laminær bevegelse. Friksjonskraften i laminær bevegelse er proporsjonal med hastigheten. Et eksempel er Stokes' lov for sfæriske legemer.
- Når bevegelsen av en kropp i en væske skjer med en høyere hastighet enn en viss terskelverdi, begynner virvler fra væskestrømmer å dukke opp rundt kroppen. Disse virvlene skaper en ekstra kraft som hindrer bevegelse, og som et resultat er friksjonskraften proporsjonal med kvadratet på hastigheten.
Den rullende friksjonskraftens natur
Når man snakker om typene friksjonskrefter, er det vanlig å kalle den rullende friksjonskraften den tredje typen. Det manifesterer seg når en kropp ruller over en bestemt overflate og deformasjon av denne kroppen og selve overflaten oppstår. Det vil si at når det gjelder en absolutt ikke-deformerbar kropp og overflate, er det ingen vits i å snakke om kraften til rullefriksjon. La oss ta en nærmere titt.
Konseptet med rullefriksjonskoeffisient ligner det for glidning. Siden det ikke er gli mellom overflatene på kropper under rulling, er rullefriksjonskoeffisienten mye mindre enn for skli.
Hovedfaktoren som påvirker koeffisienten er hysteresen av mekanisk energi for typen rullende friksjonskraft. Spesielt er hjulet, avhengig av materialet det er laget av, så vel som belastningen det bærer, elastisk deformert under bevegelse. Gjentatte sykluser av elastisk deformasjon fører til overføring av en del av den mekaniske energien til termisk energi. I tillegg pgaskade, kontakten til hjulet og overflaten har allerede en begrenset kontaktflate.
formel for rullende friksjonskraft
Hvis vi bruker uttrykket for kraftmomentet som roterer hjulet, så kan vi få at den rullende friksjonskraften er Ftr.k.=Μ k N / R, her er N reaksjonen til støtten, R er radiusen til hjulet, Μк – rullende friksjonskoeffisient. Dermed er rullefriksjonskraften omvendt proporsjonal med radiusen, noe som forklarer fordelen med store hjul fremfor små.
Den omvendte proporsjonaliteten av denne kraften til radiusen til hjulet antyder at i tilfellet med to hjul med forskjellige radier som har samme masse og er laget av samme materiale, er hjulet med den største radiusen lettere å rikke.
Rullingsforhold
I samsvar med formelen for denne typen friksjonskraft får vi at koeffisienten for rullefriksjon Μk har lengdedimensjonen. Det avhenger hovedsakelig av kontaktorganenes natur. Verdien, som bestemmes av forholdet mellom rullefriksjonskoeffisienten og radiusen, kalles rullekoeffisienten, det vil si Ck=Μk / R er en dimensjonsløs mengde.
Rullingskoeffisienten Ck er betydelig mindre enn koeffisienten for glidefriksjon Μtr. Derfor, når vi svarer på spørsmålet om hvilken type friksjonskraft som er den minste, kan vi trygt kalle den rullende friksjonskraften. Takket være dette faktum regnes oppfinnelsen av hjulet som et viktig skritt i teknologisk fremgang.menneskeheten.
Rullingsforholdet er systemspesifikk og avhenger av følgende faktorer:
- hardheten til hjulet og overflaten (jo mindre deformasjon av legemer som oppstår under bevegelse, desto lavere er rullekoeffisienten);
- hjulradius;
- vekt som virker på hjulet;
- kontaktflateareal og dets form;
- viskositet i kontaktområdet mellom hjulet og overflaten;
- kroppstemperatur
