Friktion är ett fysiskt fenomen som en person kämpar med för att minska den i alla roterande och glidande delar av mekanismer, utan vilken rörelsen av någon av dessa mekanismer är omöjlig. I den här artikeln kommer vi att överväga, ur fysikens synvinkel, vad som är kraften hos rullande friktion.
Vilka typer av friktionskrafter finns i naturen?
Först av allt, fundera på vilken plats rullande friktion tar bland andra friktionskrafter. Dessa krafter uppstår som ett resultat av kontakten mellan två olika kroppar. Det kan vara fasta, flytande eller gasformiga kroppar. Till exempel, ett flygplans flygning i troposfären åtföljs av närvaron av friktion mellan dess kropp och luftmolekyler.
Med enbart fasta kroppar tar vi hänsyn till friktionskrafterna av vila, glidning och rullning. Var och en av oss märkte: för att vika en låda på golvet är det nödvändigt att applicera lite kraft längs golvytan. Värdet på kraften som kommer att få lådorna ur vila kommer att vara lika i absolut värde som vilofriktionskraften. Den senare verkar mellan lådans botten och golvytan.
Hurnär lådan har börjat sin rörelse måste en konstant kraft appliceras för att hålla denna rörelse enhetlig. Detta faktum är kopplat till det faktum att mellan kontakten mellan golvet och lådan verkar den glidande friktionskraften på den senare. Som regel är det flera tiotals procent mindre än den statiska friktionen.
Om du lägger runda cylindrar av hårt material under lådan blir det mycket lättare att flytta den. Den rullande friktionskraften kommer att verka på cylindrarna som roterar i rörelseprocessen under lådan. Det är vanligtvis mycket mindre än de två föregående krafterna. Det är därför mänsklighetens uppfinning av hjulet var ett stort steg mot framsteg, eftersom människor kunde flytta mycket större laster med liten anbringad kraft.
Rullfriktionens fysiska karaktär
Varför uppstår rullande friktion? Denna fråga är inte lätt. För att svara på det bör man överväga i detalj vad som händer med hjulet och ytan under rullningsprocessen. Först och främst är de inte perfekt släta - varken hjulets yta eller ytan som det rullar på. Detta är dock inte huvudorsaken till friktion. Den främsta orsaken är deformationen av en eller båda kropparna.
Alla kroppar, oavsett vilket fast material de är gjorda av, deformeras. Ju större kroppens vikt, desto större tryck utövar den på ytan, vilket gör att den deformerar sig i kontaktpunkten och deformerar ytan. Denna deformation är i vissa fall så liten att den inte överskrider elasticitetsgränsen.
Bunder rullningen av hjulet återställer de deformerade områdena efter avslutad kontakt med ytan sin ursprungliga form. Ändå upprepas dessa deformationer cykliskt med ett nytt varv på hjulet. Varje cyklisk deformation, även om den ligger inom den elastiska gränsen, åtföljs av hysteres. Med andra ord, på mikroskopisk nivå är kroppens form före och efter deformation olika. Hysteresen av deformationscykler under hjulets rullning leder till "spridning" av energi, vilket visar sig i praktiken i form av uppkomsten av en rullande friktionskraft.
Perfect Body Rolling
Under den ideala kroppen i det här fallet menar vi att den är icke-deformerbar. I fallet med ett idealiskt hjul är dess kontaktyta med ytan noll (det berör ytan längs linjen).
Låt oss karakterisera krafterna som verkar på ett icke-deformerbart hjul. För det första är dessa två vertikala krafter: kroppsvikten P och stödreaktionskraften N. Båda krafterna passerar genom masscentrum (hjulaxeln), därför deltar de inte i skapandet av vridmoment. För dem kan du skriva:
P=N
För det andra är dessa två horisontella krafter: en yttre kraft F som trycker hjulet framåt (det passerar genom massans centrum), och en rullande friktionskraft fr. Den senare skapar ett vridmoment M. För dem kan du skriva följande likheter:
M=frr;
F=fr
Här är r hjulets radie. Dessa jämlikheter innehåller en mycket viktig slutsats. Om friktionskraften fr är oändligt liten, då är denkommer fortfarande att skapa ett vridmoment som gör att hjulet rör sig. Eftersom den yttre kraften F är lika med fr, kommer varje oändligt litet värde på F att få hjulet att rulla. Detta betyder att om den rullande kroppen är idealisk och inte upplever deformation under rörelse, så finns det inget behov av att tala om någon rullande friktionskraft.
Alla existerande kroppar är verkliga, det vill säga de upplever deformation.
Real body rolling
Tänk nu på situationen som beskrivs ovan endast för fallet med verkliga (deformerbara) kroppar. Kontaktytan mellan hjulet och ytan kommer inte längre att vara noll, den kommer att ha ett ändligt värde.
Låt oss analysera krafterna. Låt oss börja med verkan av vertikala krafter, det vill säga stödets vikt och reaktion. De är fortfarande lika med varandra, d.v.s.:
N=P
Men kraften N verkar nu vertik alt uppåt, inte genom hjulaxeln, utan förskjuts något från den med ett avstånd d. Om vi föreställer oss hjulets kontaktyta med ytan som arean av en rektangel, kommer längden på denna rektangel att vara tjockleken på hjulet, och bredden kommer att vara lika med 2d.
Låt oss nu gå vidare till övervägandet av horisontella krafter. Den yttre kraften F skapar fortfarande inget vridmoment och är lika med friktionskraften fr i absolut värde, det vill säga:
F=fr.
Momentet av krafter som leder till rotation kommer att skapa friktion froch reaktionen från stödet N. Dessutom kommer dessa moment att riktas i olika riktningar. Motsvarande uttryck ärtyp:
M=Nd - frr
I fallet med enhetlig rörelse kommer ögonblicket M att vara lika med noll, så vi får:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Den sista jämlikheten, med hänsyn till formlerna skrivna ovan, kan skrivas om enligt följande:
F=d/rP
Vi fick faktiskt huvudformeln för att förstå den rullande friktionskraften. Längre fram i artikeln kommer vi att analysera det.
Rullmotståndskoefficient
Denna koefficient har redan introducerats ovan. En geometrisk förklaring gavs också. Vi talar om värdet av d. Uppenbarligen, ju större detta värde är, desto större moment skapar reaktionskraften från stödet, vilket förhindrar hjulets rörelse.
Rullmotståndskoefficienten d, i motsats till koefficienterna för statisk och glidande friktion, är ett dimensionellt värde. Det mäts i längdenheter. I tabeller anges det vanligtvis i millimeter. Till exempel för tåghjul som rullar på stålräls, d=0,5 mm. Värdet på d beror på hårdheten hos de två materialen, belastningen på hjulet, temperaturen och några andra faktorer.
Rullfriktionskoefficient
Förväxla det inte med föregående koefficient d. Rullfriktionskoefficienten betecknas med symbolen Cr och beräknas med följande formel:
Cr=d/r
Denna likhet betyder att Cr är dimensionslös. Det är hon som ges i ett antal tabeller som innehåller information om den övervägda typen av friktion. Denna koefficient är bekväm att använda för praktiska beräkningar,eftersom det inte innebär att man känner till hjulets radie.
Värdet på Cr är i de flesta fall mindre än friktionskoefficienterna och vila. Till exempel, för bildäck som rör sig på asf alt är värdet på Cr inom några hundradelar (0,01 - 0,06). Den ökar dock avsevärt när du kör punkterade däck på gräs och sand (≈0,4).
Analys av den resulterande formeln för kraften fr
Låt oss återigen skriva ovanstående formel för den rullande friktionskraften:
F=d/rP=fr
Av jämställdhet följer att ju större diameter hjulet har, desto mindre kraft bör F appliceras för att det ska börja röra sig. Nu skriver vi denna likhet genom koefficienten Cr, vi har:
fr=CrP
Som du kan se är friktionskraften direkt proportionell mot kroppens vikt. Dessutom, med en signifikant ökning av vikten P, ändras själva koefficienten Cr (den ökar på grund av ökningen i d). I de flesta praktiska fall ligger Cr inom några hundradelar. Värdet på glidfriktionskoefficienten ligger i sin tur inom några tiondelar. Eftersom formlerna för rullande och glidande friktionskrafter är desamma, visar sig rullning vara fördelaktigt ur energisynpunkt (kraften fr är en storleksordning mindre än glidkraften i mest praktiska situationer).
Rullande skick
Många av oss har upplevt problemet med bilhjul som slirar när vi kör på is eller lera. Varför är dettahappening? Nyckeln till att besvara denna fråga ligger i förhållandet mellan de absoluta värdena för rullande och vila friktionskrafter. Låt oss skriva ut den rullande formeln igen:
F ≧ CrP
När kraften F är större än eller lika med rullfriktionen, kommer hjulet att börja rulla. Men om denna kraft överstiger värdet av statisk friktion tidigare, kommer hjulet att slira tidigare än det rullar.
Således bestäms slireffekten av förhållandet mellan koefficienterna för statisk friktion och rullfriktion.
Sätt att motverka slirning av bilhjul
Rullfriktionen hos ett bilhjul på en hal yta (till exempel på is) kännetecknas av koefficienten Cr=0,01-0,06. samma ordning är typiska för den statiska friktionskoefficienten.
För att undvika risken för hjulslirning används speciella "vinter"-däck, i vilka metallpiggar skruvas fast. Den senare, som kraschar in i isytan, ökar den statiska friktionskoefficienten.
Ett annat sätt att öka den statiska friktionen är att modifiera ytan som hjulet rör sig på. Till exempel genom att strö den med sand eller s alt.
