Friktionskraften är en fysisk storhet som förhindrar all rörelse av kroppen. Det uppstår som regel när kroppar rör sig i fast, flytande och gasformig substans. Olika typer av friktionskrafter spelar en viktig roll i människors liv, eftersom de förhindrar en överdriven ökning av kropparnas hastighet.
Klassificering av friktionskrafter
I det allmänna fallet beskrivs alla typer av friktionskrafter av tre typer: friktionskraften för glidning, rullning och vila. Den första är statisk, de andra två är dynamiska. Friktion i vila hindrar kroppen från att börja röra sig, i sin tur, vid glidning, uppstår friktion när kroppen gnider mot ytan på en annan kropp under dess rörelse. Rullande friktion uppstår när ett runt föremål rör sig. Låt oss ta ett exempel. Ett slående exempel på typen (rullande friktionskraft) är bilhjulens rörelse på asf alt.
Friktionskrafternas natur är förekomsten av mikroskopiska defekter mellan gnidningsytorna på två kroppar. Av denna anledning verkar den resulterande kraftenett föremål som rör sig eller börjar röra sig, består av summan av kraften av normalreaktionen hos stödet N, som är riktad vinkelrätt mot ytan av de kontaktande kropparna, och av friktionskraften F. Den senare är riktad parallellt med kontaktyta och är motsatt kroppens rörelse.
Friktion mellan två fasta ämnen
När man överväger frågan om olika typer av friktionskrafter, observerades följande mönster för två solida kroppar:
- Friktionskraften riktas parallellt med stödytan.
- Friktionskoefficienten beror på kontaktytornas karaktär, såväl som på deras tillstånd.
- Maximal friktionskraft står i direkt proportion till normalkraften eller stödreaktionen som verkar mellan kontaktytorna.
- För samma kroppar är friktionskraften större innan kroppen börjar röra sig och minskar sedan när kroppen börjar röra sig.
- Friktionskoefficienten beror inte på kontaktytan, och den beror praktiskt taget inte på glidhastigheten.
lagar
Vi sammanfattar det experimentella materialet om rörelselagarna och har fastställt följande grundläggande lagar angående friktion:
- Motståndet mot att glida mellan två kroppar är proportionellt mot normalkraften som verkar mellan dem.
- Motstånd mot rörelse mellan gnidningskroppar beror inte på kontaktytan mellan dem.
För att demonstrera den andra lagen kan vi ge följande exempel: om du tar ett block och flyttar det genom att glida på ytan, då den nödvändiga kraften för en sådan rörelseblir detsamma när blocket ligger på ytan med sin långsida, och när det står med sin ände.
Lagarna om olika typer av friktionskrafter i fysiken upptäcktes i slutet av 1400-talet av Leonard da Vinci. Sedan glömdes de bort för en lång tid, och först 1699 återupptäcktes de av den franske ingenjören Amonton. Sedan dess har friktionslagarna bär hans namn.
Varför är friktionskraften större än den för att glida i vila?
När man överväger flera typer av friktionskrafter (vila och glidning), bör det noteras att den statiska friktionskraften alltid är mindre än eller lika med produkten av den statiska friktionskoefficienten och stödets reaktionskraft. Friktionskoefficienten bestäms experimentellt för dessa gnidningsmaterial och anges i lämpliga tabeller.
Dynamisk kraft beräknas på samma sätt som statisk kraft. Endast i detta fall används friktionskoefficienten specifikt för glidning. Friktionskoefficienten betecknas vanligtvis med den grekiska bokstaven Μ (mu). Den allmänna formeln för båda friktionskrafterna är alltså: Ftr=ΜN, där N är stödreaktionskraften.
Skillnaden mellan dessa typer av friktionskrafter har inte fastställts exakt. De flesta forskare tror dock att den statiska friktionskraften är större än den för glidning, för när kropparna är i vila relativt varandra under en tid kan jonbindningar eller mikrofusioner av enskilda punkter på ytorna bildas mellan deras ytor. Dessa faktorer orsakar en ökning av statisk elektricitetindikator.
Ett exempel på flera typer av friktionskraft och deras manifestation är kolven i cylindern på en bilmotor, som "löds fast" till cylindern om motorn inte är igång under en längre tid.
Horisontell glidkropp
Låt oss få rörelseekvationen för en kropp som, under inverkan av en yttre kraft Fin, börjar röra sig längs ytan genom att glida. I detta fall verkar följande krafter på kroppen:
- Fv – extern kraft;
- Ftr – friktionskraft som är motsatt i riktning mot kraften Fv;
- N är stödets reaktionskraft, som i absoluta värde är lika med vikten av kroppen P och är riktad mot ytan, det vill säga i rät vinkel mot den.
Med hänsyn till alla krafters riktningar, skriver vi Newtons andra lag för detta fall av rörelse: Fv - Ftr=ma, där m - kroppsmassa, a - acceleration av rörelse. När vi vet att Ftr=ΜN, N=P=mg, där g är accelerationen för fritt fall, får vi: Fv – Μmg=ma. Varifrån, uttryckande accelerationen med vilken den glidande kroppen rör sig, får vi: a=F i / m – Μg.
Rörelse av en stel kropp i en vätska
När man överväger vilka typer av friktionskrafter som finns, bör man nämna ett viktigt fenomen inom fysiken, som är beskrivningen av hur en fast kropp rör sig i en vätska. I det här fallet talar vi om aerodynamisk friktion, som bestäms beroende på kroppens hastighet i vätskan. Det finns två typer av rörelser:
- Nären stel kropp rör sig med låg hastighet, man talar om laminär rörelse. Friktionskraften i laminär rörelse är proportionell mot hastigheten. Ett exempel är Stokes lag för sfäriska kroppar.
- När en kropps rörelse i en vätska sker med högre hastighet än ett visst tröskelvärde, börjar virvlar från vätskeflöden uppstå runt kroppen. Dessa virvlar skapar en ytterligare kraft som hindrar rörelse, och som ett resultat är friktionskraften proportionell mot kvadraten på hastigheten.
Den rullande friktionskraftens karaktär
När man talar om typerna av friktionskrafter är det vanligt att kalla den rullande friktionskraften den tredje typen. Det visar sig när en kropp rullar över en viss yta och deformation av denna kropp och själva ytan uppstår. Det vill säga, i fallet med en absolut icke-deformerbar kropp och yta, är det ingen mening att tala om kraften av rullande friktion. Låt oss ta en närmare titt.
Konceptet med rullande friktionskoefficient liknar det för glidning. Eftersom det inte finns någon glidning mellan ytorna på kroppar under valsning, är rullfriktionskoefficienten mycket lägre än för glidning.
Den huvudsakliga faktorn som påverkar koefficienten är hysteresen av mekanisk energi för typen av rullande friktionskraft. I synnerhet deformeras hjulet, beroende på materialet från vilket det är tillverkat, såväl som på belastningen det bär, elastiskt under rörelse. Upprepade cykler av elastisk deformation leder till överföring av en del av den mekaniska energin till termisk energi. Dessutom pgaskada, kontakten mellan hjulet och ytan har redan en begränsad kontaktyta.
formel för rullande friktionskraft
Om vi använder uttrycket för kraftmomentet som roterar hjulet, så kan vi få att den rullande friktionskraften är Ftr.k.=Μ k N / R, här är N stödets reaktion, R är hjulets radie, Μк – rullande friktionskoefficient. Rullfriktionskraften är alltså omvänt proportionell mot radien, vilket förklarar fördelen med stora hjul framför små.
Den omvända proportionaliteten mellan denna kraft och hjulets radie antyder att i fallet med två hjul med olika radier som har samma massa och är gjorda av samma material, är hjulet med den större radien lättare att vika.
Rullningsförhållande
I enlighet med formeln för denna typ av friktionskraft får vi att rullfriktionskoefficienten Μk har dimensionen längd. Det beror huvudsakligen på de kontaktande organens karaktär. Värdet, som bestäms av förhållandet mellan rullfriktionskoefficienten och radien, kallas rullningskoefficienten, det vill säga Ck=Μk / R är en dimensionslös mängd.
Rullningskoefficienten Ck är betydligt mindre än glidfriktionskoefficienten Μtr. Därför, när vi svarar på frågan om vilken typ av friktionskraft som är minst, kan vi säkert kalla den rullande friktionskraften. Tack vare detta faktum anses uppfinningen av hjulet vara ett viktigt steg i tekniska framsteg.mänskligheten.
Rullningsförhållandet är systemspecifikt och beror på följande faktorer:
- hårdhet på hjulet och ytan (ju mindre deformation av kroppar som uppstår under rörelse, desto lägre rullningskoefficient);
- hjulradie;
- vikt som verkar på hjulet;
- kontaktyta och dess form;
- viskositet i kontaktområdet mellan hjulet och ytan;
- kroppstemperatur
