Vilofriktion: definition, formel, exempel

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 17:56

Var och en av oss är bekanta med manifestationen av friktionskraften. Faktum är att varje rörelse i vardagen, oavsett om det är att gå en person eller flytta ett fordon, är omöjlig utan deltagande av denna kraft. Inom fysiken är det vanligt att studera tre typer av friktionskrafter. I den här artikeln kommer vi att överväga en av dem, vi kommer att ta reda på vad statisk friktion är.

Stång på en horisontell yta

Innan vi fortsätter att svara på frågorna, vad är den statiska friktionskraften och vad är den lika med, låt oss överväga ett enkelt fall med en stång som ligger på en horisontell yta.

Låt oss analysera vilka krafter som verkar på stången. Den första är vikten av själva föremålet. Låt oss beteckna det med bokstaven P. Det är riktat vertik alt nedåt. För det andra är detta reaktionen av stödet N. Det är riktat vertik alt uppåt. Newtons andra lag för det aktuella fallet kommer att skrivas i följande form:

ma=P - N.

Minustecknet här reflekterar motsatta riktningar av vikt- och stödreaktionsvektorerna. Eftersom blocket är i vila är värdet på a noll. Det senare betyder att:

P - N=0=>

P=N.

Stödets reaktion balanserar kroppens vikt och är lika med den i absolut värde.

Yttre kraft som verkar på en stång på en horisontell yta

Låt oss nu lägga till ytterligare en agerande kraft till situationen som beskrivs ovan. Låt oss anta att en person börjar skjuta ett block längs en horisontell yta. Låt oss beteckna denna kraft med bokstaven F. Man kan lägga märke till en fantastisk situation: om kraften F är liten, så fortsätter stången att vila på ytan trots dess verkan. Kroppens vikt och stödets reaktion riktas vinkelrätt mot ytan, så deras horisontella projektioner är lika med noll. Krafterna P och N kan med andra ord inte motverka F på något sätt. Varför stannar stången i så fall i vila och rör sig inte?

Självklart måste det finnas en kraft som är riktad mot kraften F. Denna kraft är den statiska friktionen. Den är riktad mot F längs en horisontell yta. Det verkar i kontaktområdet mellan den nedre kanten av stången och ytan. Låt oss beteckna det med symbolen F_{t. Newtons lag för horisontell projektion kommer att skrivas som:}

F=F_t.

Därmed är modulen för den statiska friktionskraften alltid lika med det absoluta värdet av de yttre krafterna som verkar längs den horisontella ytan.

Start av taktrörelse

För att skriva ner formeln för statisk friktion, låt oss fortsätta experimentet som startade i de föregående styckena i artikeln. Vi kommer att öka det absoluta värdet av den yttre kraften F. Stången kommer fortfarande att ligga i vila ett tag, men det kommer ett ögonblick då den börjar röra sig. Vid denna tidpunkt kommer den statiska friktionskraften att nå sitt maximala värde.

För att hitta detta maximala värde, ta en annan stapel exakt samma som den första och lägg den överst. Stångens kontaktyta med ytan har inte förändrats, men dess vikt har fördubblats. Det visade sig experimentellt att kraften F för att stången lossnar från ytan också fördubblades. Detta faktum gjorde det möjligt att skriva följande formel för statisk friktion:

F_t=µ_sP.

Det vill säga att det maximala värdet på friktionskraften visar sig vara proportionellt mot kroppens P vikt, där parametern µ_s fungerar som en proportionalitetskoefficient. Värdet µ_{s kallas den statiska friktionskoefficienten.}

Eftersom kroppsvikten i experimentet är lika med stödreaktionskraften N, kan formeln för F_{t skrivas om enligt följande:}

F_t=µ_sN.

Till skillnad från det föregående kan detta uttryck alltid användas, även när kroppen är på ett lutande plan. Modulen för den statiska friktionskraften är direkt proportionell mot den stödreaktionskraft med vilken ytan verkar på kroppen.

Fysiska orsaker till våld Ft

Frågan om varför statisk friktion uppstår är komplex och kräver övervägande av kontakt mellan kroppar på mikroskopisk och atomär nivå.

I allmänhet finns det två fysiska orsaker till våldF_t:

Mekanisk interaktion mellan toppar och dalar.
Fysikalisk-kemisk interaktion mellan atomer och molekyler i kroppar.

Oavsett hur slät en yta är, har den ojämnheter och inhomogeniteter. Grovt sett kan dessa inhomogeniteter representeras som mikroskopiska toppar och dalar. När toppen av en kropp faller in i en annan kropps hålighet, sker mekanisk koppling mellan dessa kroppar. Ett stort antal mikroskopiska kopplingar är en av anledningarna till uppkomsten av statisk friktion.

Det andra skälet är den fysiska och kemiska interaktionen mellan molekylerna eller atomerna som utgör kroppen. Det är känt att när två neutrala atomer närmar sig varandra kan vissa elektrokemiska interaktioner inträffa mellan dem, till exempel dipol-dipol- eller van der Waals-interaktioner. I det ögonblick då rörelsen börjar tvingas stången att övervinna dessa interaktioner för att bryta sig loss från ytan.

Features of Ft strength

Det har redan noterats ovan vad den maximala statiska friktionskraften är lika med, och även dess verkningsriktning är indikerad. Här listar vi andra egenskaper hos kvantiteten F_t.

Vilofriktion beror inte på kontaktytan. Det bestäms enbart av reaktionen av stödet. Ju större kontaktyta, desto mindre deformation av mikroskopiska toppar och dalar, men desto större antal. Detta intuitiva faktum förklarar varför det maximala F_{tt inte kommer att ändras om stapeln vänds till kanten med den mindreområde.}

Vilofriktion och glidfriktion är av samma karaktär, beskrivna med samma formler, men den andra är alltid mindre än den första. Glidfriktion uppstår när blocket börjar röra sig längs ytan.

Force F_t är en okänd storhet i de flesta fall. Formeln som ges ovan för den motsvarar det maximala värdet på F_t i det ögonblick som stapeln börjar röra sig. För att förstå detta faktum tydligare finns nedan en graf över kraftens F_{t beroende av det yttre inflytandet F.}

Det kan ses att med ökande F ökar den statiska friktionen linjärt, når ett maximum och minskar sedan när kroppen börjar röra sig. Under rörelsen går det inte längre att tala om kraften F_{t, eftersom den ersätts av glidfriktion.}

Slutligen, den sista viktiga egenskapen hos styrkan F_t är att den inte beror på rörelsehastigheten (vid relativt höga hastigheter, F_tminskar).

friktionskoefficient µs

Eftersom µ_{s förekommer i formeln för friktionsmodulen bör några ord sägas om det.}

Friktionskoefficienten µ_s är en unik egenskap hos de två ytorna. Det beror inte på kroppsvikt, det bestäms experimentellt. Till exempel, för ett träd-träd-par, varierar det från 0,25 till 0,5 beroende på typen av träd och kvaliteten på ytbehandlingen av gnidningskroppar. För vaxade träytor påblöt snö µ_{s=0,14, och för mänskliga leder tar denna koefficient mycket låga värden (≈0,01).}

Oavsett värdet av µ_s för det materialpar som avses, kommer en liknande glidfriktionskoefficient µ_{k alltid att vara mindre. Till exempel, när du skjuter ett träd på ett träd är det lika med 0,2, och för mänskliga leder överstiger det inte 0,003.}

Närnäst kommer vi att överväga lösningen av två fysiska problem där vi kan tillämpa den förvärvade kunskapen.

Stång på en lutande yta: kraftberäkning Ft

Den första uppgiften är ganska enkel. Låt oss anta att ett träblock ligger på en träyta. Dess massa är 1,5 kg. Ytan lutar med en vinkel på 15o mot horisonten. Det är nödvändigt att bestämma den statiska friktionskraften om man vet att stången inte rör sig.

Haken med detta problem är att många börjar med att beräkna reaktionen för stödet och sedan använda referensdata för friktionskoefficienten µ_s, använd ovanstående formel för att bestämma maxvärdet för F _t. Men i det här fallet är F_{t inte maxvärdet. Dess modul är bara lika med den yttre kraften, som tenderar att flytta stången från sin plats ner i planet. Denna styrka är:}

F=mgsin(α).

Då blir friktionskraften F_t lika med F. Genom att ersätta data med likhet får vi svaret: den statiska friktionskraften på ett lutande plan F _{t=3,81 newton.}

Stång på en lutande yta: beräkningmaximal lutningsvinkel

Låt oss nu lösa följande problem: ett träblock ligger på ett lutande träplan. Om man antar att friktionskoefficienten är lika med 0,4 är det nödvändigt att hitta den maximala lutningsvinkeln α för planet mot horisonten, vid vilken stången kommer att börja glida.

Glidningen startar när projiceringen av kroppsvikten på planet blir lika med den maximala statiska friktionskraften. Låt oss skriva motsvarande villkor: