Friksjon er et fysisk fenomen som en person sliter med for å redusere det i eventuelle roterende og glidende deler av mekanismer, uten hvilket imidlertid bevegelse av noen av disse mekanismene er umulig. I denne artikkelen vil vi vurdere, fra et fysikksynspunkt, hva som er kraften til rullende friksjon.
Hvilke typer friksjonskrefter finnes i naturen?
Først av alt, vurder hvilken plass rullefriksjonen tar blant andre friksjonskrefter. Disse kreftene oppstår som et resultat av kontakten mellom to forskjellige kropper. Det kan være faste, flytende eller gassformige legemer. For eksempel er flyvningen til et fly i troposfæren ledsaget av tilstedeværelsen av friksjon mellom dets kropp og luftmolekyler.
Med utelukkende solide kropper i betraktning, skiller vi ut friksjonskreftene hvile, gli og rulle. Hver av oss la merke til: for å bevege en boks på gulvet, er det nødvendig å bruke litt kraft langs gulvoverflaten. Verdien av kraften som vil bringe boksene ut av hvile vil være lik i absolutt verdi med hvilefriksjonskraften. Sistnevnte virker mellom bunnen av boksen og gulvflaten.
Hvordannår boksen har begynt å bevege seg, må en konstant kraft brukes for å holde denne bevegelsen jevn. Dette faktum er forbundet med det faktum at mellom kontakten mellom gulvet og boksen virker glidfriksjonskraften på sistnevnte. Som regel er det flere titalls prosent mindre enn den statiske friksjonen.
Hvis du legger runde sylindre av hardt materiale under boksen, blir det mye lettere å flytte den. Den rullende friksjonskraften vil virke på sylindrene som roterer i bevegelsesprosessen under boksen. Den er vanligvis mye mindre enn de to foregående kreftene. Det er grunnen til at menneskehetens oppfinnelse av hjulet var et stort sprang mot fremskritt, fordi folk var i stand til å flytte mye større laster med lite påført kraft.
Rullende friksjons fysiske natur
Hvorfor oppstår rullefriksjon? Dette spørsmålet er ikke lett. For å svare på det, bør man vurdere i detalj hva som skjer med hjulet og overflaten under rulleprosessen. For det første er de ikke helt glatte - verken overflaten på hjulet eller overflaten den ruller på. Dette er imidlertid ikke hovedårsaken til friksjon. Hovedårsaken er deformasjonen av ett eller begge legemer.
Enhver kropp, uansett hvilket solid materiale de er laget av, er deformert. Jo større vekt kroppen har, jo større trykk utøver den på overflaten, noe som betyr at den deformerer seg selv i kontaktpunktet og deformerer overflaten. Denne deformasjonen er i noen tilfeller så liten at den ikke overskrider elastisitetsgrensen.
Bunder rulling av hjulet gjenoppretter de deformerte områdene etter avslutning av kontakt med overflaten sin opprinnelige form. Likevel gjentas disse deformasjonene syklisk med en ny omdreining av hjulet. Enhver syklisk deformasjon, selv om den ligger innenfor den elastiske grensen, er ledsaget av hysterese. Med andre ord, på mikroskopisk nivå er formen på kroppen før og etter deformasjon forskjellig. Hysteresen av deformasjonssykluser under rullen av hjulet fører til "spredning" av energi, som manifesterer seg i praksis i form av utseendet til en rullende friksjonskraft.
Perfect Body Rolling
Under den ideelle kroppen i dette tilfellet mener vi at den er ikke-deformerbar. Når det gjelder et ideelt hjul, er kontaktområdet med overflaten null (det berører overflaten langs linjen).
La oss karakterisere kreftene som virker på et ikke-deformerbart hjul. For det første er dette to vertikale krefter: kroppsvekten P og støttereaksjonskraften N. Begge kreftene passerer gjennom massesenteret (hjulaksen), derfor tar de ikke del i dannelsen av dreiemoment. For dem kan du skrive:
P=N
For det andre er dette to horisontale krefter: en ytre kraft F som skyver hjulet fremover (det passerer gjennom massesenteret), og en rullende friksjonskraft fr. Sistnevnte skaper et dreiemoment M. For dem kan du skrive følgende likheter:
M=frr;
F=fr
Her er r radiusen til hjulet. Disse likhetene inneholder en svært viktig konklusjon. Hvis friksjonskraften fr er uendelig liten, så er denvil fortsatt skape et dreiemoment som får hjulet til å bevege seg. Siden den ytre kraften F er lik fr, vil enhver uendelig liten verdi av F få hjulet til å rulle. Dette betyr at hvis rullekroppen er ideell og ikke opplever deformasjon under bevegelse, er det ikke nødvendig å snakke om noen rullende friksjonskraft.
Alle eksisterende kropper er ekte, det vil si at de opplever deformasjon.
Real body rolling
Vurder nå situasjonen beskrevet ovenfor bare for ekte (deformerbare) kropper. Kontaktområdet mellom hjulet og overflaten vil ikke lenger være null, det vil ha en begrenset verdi.
La oss analysere kreftene. La oss starte med virkningen av vertikale krefter, det vil si vekten og reaksjonen til støtten. De er fortsatt like med hverandre, dvs.:
N=P
Men kraften N virker nå vertik alt oppover, ikke gjennom hjulakselen, men er litt forskjøvet fra den med en avstand d. Hvis vi forestiller oss kontaktområdet til hjulet med overflaten som arealet av et rektangel, vil lengden på dette rektangelet være tykkelsen på hjulet, og bredden vil være lik 2d.
La oss nå gå videre til vurderingen av horisontale krefter. Den ytre kraften F skaper fortsatt ikke et dreiemoment og er lik friksjonskraften fr i absolutt verdi, det vil si:
F=fr.
Momentet av krefter som fører til rotasjon vil skape friksjon frog reaksjonen til støtten N. Dessuten vil disse momentene bli rettet i forskjellige retninger. Det tilsvarende uttrykket ertype:
M=Nd - frr
I tilfelle av jevn bevegelse vil øyeblikket M være lik null, så vi får:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Den siste likheten, med tanke på formlene skrevet ovenfor, kan skrives om som følger:
F=d/rP
Faktisk fikk vi hovedformelen for å forstå den rullende friksjonskraften. Videre i artikkelen vil vi analysere det.
Rullemotstandskoeffisient
Denne koeffisienten er allerede introdusert ovenfor. Det ble også gitt en geometrisk forklaring. Vi snakker om verdien av d. Jo større denne verdien er, desto større er øyeblikket som skaper reaksjonskraften til støtten, som hindrer hjulets bevegelse.
Rullemotstandskoeffisienten d, i motsetning til koeffisientene for statisk og glidende friksjon, er en dimensjonsverdi. Det måles i lengdeenheter. I tabeller er det vanligvis gitt i millimeter. For eksempel for toghjul som ruller på stålskinner, d=0,5 mm. Verdien av d avhenger av hardheten til de to materialene, belastningen på hjulet, temperaturen og noen andre faktorer.
Rullefriksjonskoeffisient
Ikke forveksle det med forrige koeffisient d. Rullefriksjonskoeffisienten er angitt med symbolet Cr og beregnes ved hjelp av følgende formel:
Cr=d/r
Denne likheten betyr at Cr er dimensjonsløs. Det er hun som er gitt i en rekke tabeller som inneholder informasjon om den betraktede typen friksjon. Denne koeffisienten er praktisk å bruke for praktiske beregninger,fordi det ikke innebærer å kjenne hjulets radius.
Verdien av Cr er i de fleste tilfeller mindre enn koeffisientene for friksjon og hvile. For eksempel, for bildekk som beveger seg på asf alt, er verdien av Cr innen noen få hundredeler (0,01 - 0,06). Den øker imidlertid betydelig når du kjører flate dekk på gress og sand (≈0,4).
Analyse av den resulterende formelen for kraften fr
La oss skrive formelen ovenfor for den rullende friksjonskraften igjen:
F=d/rP=fr
Av likestilling følger det at jo større diameter hjulet har, desto mindre kraft bør F påføres for at det skal begynne å bevege seg. Nå skriver vi denne likheten gjennom koeffisienten Cr, vi har:
fr=CrP
Som du kan se, er friksjonskraften direkte proporsjonal med vekten av kroppen. I tillegg, med en betydelig økning i vekten P, endres koeffisienten Cr i seg selv (den øker på grunn av økningen i d). I de fleste praktiske tilfeller ligger Cr innenfor noen få hundredeler. I sin tur ligger verdien av glidefriksjonskoeffisienten innenfor noen få tideler. Siden formlene for rullende og glidende friksjonskrefter er de samme, viser rulling seg å være fordelaktig fra et energisynspunkt (kraften fr er en størrelsesorden mindre enn glidekraften i mest praktiske situasjoner).
Rullende tilstand
Mange av oss har opplevd problemet med bilhjul som glir når vi kjører på is eller gjørme. Hvorfor er det sånnskjer? Nøkkelen til å svare på dette spørsmålet ligger i forholdet mellom de absolutte verdiene av rulle- og hvilefriksjonskreftene. La oss skrive ut den rullende formelen igjen:
F ≧ CrP
Når kraften F er større enn eller lik rullefriksjonen, vil hjulet begynne å rulle. Men hvis denne kraften overskrider verdien av statisk friksjon tidligere, vil hjulet skli tidligere enn det ruller.
Dermed bestemmes slipeffekten av forholdet mellom koeffisientene for statisk friksjon og rullefriksjon.
Måter å motvirke bilhjulslipp
Rullefriksjonen til et bilhjul på glatt underlag (for eksempel på is) er karakterisert ved koeffisienten Cr=0,01-0,06. Imidlertid er verdier av samme rekkefølge er typisk for koeffisienten statisk friksjon.
For å unngå fare for hjulglidning brukes spesielle "vinter"-dekk som metallpigger skrus inn i. Sistnevnte, som krasjer inn i isoverflaten, øker koeffisienten for statisk friksjon.
En annen måte å øke den statiske friksjonen på er å modifisere overflaten som hjulet beveger seg på. For eksempel ved å strø den med sand eller s alt.
