Tarcie to zjawisko, z którym stale spotykamy się w życiu codziennym. Nie da się określić, czy tarcie jest szkodliwe, czy korzystne. Nawet krok na śliskim lodzie wydaje się trudnym zadaniem, a chodzenie po nierównej nawierzchni asfaltu to przyjemność. Części samochodowe bez smarowania zużywają się znacznie szybciej.
Badanie tarcia, znajomość jego podstawowych właściwości pozwala człowiekowi z niego korzystać.
Siła tarcia w fizyce
Siła powstająca, gdy jedno ciało porusza się lub próbuje poruszać się po powierzchni drugiego, skierowana przeciwnie do kierunku ruchu, przyłożona do poruszających się ciał, nazywana jest siłą tarcia. Moduł siły tarcia, którego wzór zależy od wielu parametrów, zmienia się w zależności od rodzaju oporu.
Wyróżnia się następujące rodzaje tarcia:
Poślizg;
Walcowanie.
Każda próba przeniesienia ciężkiego przedmiotu (szafki, kamienia) powoduje napięcie, a jednocześnie nie zawsze udaje się przesunąć przedmiot. Zakłóca spokój.
Stan spoczynku
Obliczone tarcie statyczne nie pozwala na jego dokładne określenie. Zgodnie z trzecim prawem Newtona wielkość siły oporu statycznego zależy od przyłożonej siły.
Wraz ze wzrostem siły wzrasta również siła tarcia.
0 < F тр.покоя < F max
Zapobiega wypadaniu gwoździ wbitych w drewno; Guziki przyszyte nitką stabilnie trzymają się na swoim miejscu. Co ciekawe, to właśnie opór odpoczynku pozwala człowiekowi chodzić. Co więcej, jest on skierowany w stronę ruchu człowieka, co jest sprzeczne z ogólnym stanem rzeczy.
Zjawisko ślizgowe
Gdy siła zewnętrzna poruszająca ciało wzrośnie do wartości największej siły tarcia statycznego, ciało zaczyna się poruszać. Siła tarcia ślizgowego uwzględniana jest w procesie ślizgania się jednego ciała po powierzchni drugiego. Jego wartość zależy od właściwości współpracujących powierzchni i siły działania pionowego na powierzchnię.
Wzór obliczeniowy siły tarcia ślizgowego: F=μР, gdzie μ to współczynnik proporcjonalności (tarcia ślizgowego), P to siła nacisku pionowego (normalnego).
Jedną z sił sterujących ruchem jest siła tarcia ślizgowego, której wzór zapisuje się za pomocą. Ze względu na spełnienie trzeciego prawa Newtona siły ciśnienia normalnego i reakcji podporowej są równe pod względem wielkości i przeciwne w kierunku: P = N.
Przed znalezieniem siły tarcia, której wzór przyjmuje inną postać (F=μ N), wyznacza się siłę reakcji.
Współczynnik oporu poślizgu wprowadza się eksperymentalnie dla dwóch powierzchni trących i zależy od jakości ich obróbki oraz materiału.
Tabela. Wartość współczynnika rezystancji dla różnych powierzchni
| Przedmiot nr. | Powierzchnie oddziałujące | Wartość współczynnika tarcia ślizgowego |
Stal + lód | ||
Skóra + żeliwo | ||
Brąz + żelazo | ||
Brąz + żeliwo | ||
Stal+stal |
Największą siłę tarcia statycznego, której wzór zapisano powyżej, można wyznaczyć w taki sam sposób, jak siłę tarcia ślizgowego.
Staje się to istotne przy rozwiązywaniu problemów wyznaczania siły oporu napędowego. Przykładowo książka przesuwana ręką dociśniętą od góry ślizga się pod wpływem siły oporu statycznego powstającego pomiędzy dłonią a książką. Wielkość oporu zależy od siły nacisku pionowego na książkę.
Zjawisko toczenia
Przejście naszych przodków z włóki na rydwany uważane jest za rewolucyjne. Wynalezienie koła to największy wynalazek ludzkości. występujący, gdy koło porusza się po powierzchni, ma znacznie mniejszą wartość niż opór ślizgowy.
Zjawisko to jest związane z siłami normalnego nacisku koła na powierzchnię i ma charakter odróżniający je od poślizgu. W wyniku niewielkiego odkształcenia koła w środku uformowanego obszaru i wzdłuż jego krawędzi powstają siły nacisku o różnej wielkości. Ta różnica sił decyduje o występowaniu oporów toczenia.
Wzór obliczeniowy siły tarcia tocznego przyjmuje się zwykle podobnie jak w przypadku procesu ślizgowego. Różnica widoczna jest jedynie w wartościach współczynnika oporu.
Natura oporu
Gdy zmienia się chropowatość powierzchni trących, zmienia się także wartość siły tarcia. Przy dużym powiększeniu dwie stykające się powierzchnie wyglądają jak guzki z ostrymi szczytami. Po nałożeniu stykają się ze sobą wystające części ciała. Całkowita powierzchnia styku jest niewielka. Kiedy ciała poruszają się lub próbują się poruszać, „szczyty” tworzą opór. Wielkość siły tarcia nie zależy od powierzchni powierzchni styku.
Wydaje się, że dwie idealnie gładkie powierzchnie nie powinny stawiać żadnego oporu. W praktyce siła tarcia w tym przypadku jest maksymalna. Rozbieżność tę tłumaczy się naturą pojawienia się sił. Są to siły elektromagnetyczne działające pomiędzy atomami oddziałujących ciał.
Procesy mechaniczne, którym nie towarzyszy tarcie, są niemożliwe, ponieważ nie ma możliwości „wyłączenia” elektrycznego oddziaływania naładowanych ciał. Niezależność sił oporu od względnych pozycji ciał pozwala nazwać je niepotencjalnymi.
Interesujące jest to, że siła tarcia, której wzór zmienia się w zależności od prędkości ruchu oddziałujących ciał, jest proporcjonalna do kwadratu odpowiedniej prędkości. Siła ta obejmuje siłę lepkiego oporu w cieczy.
Ruch w cieczy i gazie
Ruchowi ciała stałego w cieczy lub gazie, cieczy w pobliżu stałej powierzchni towarzyszy lepki opór. Jego występowanie wiąże się z oddziaływaniem warstw cieczy porywanych przez ciało stałe podczas ruchu. Różne prędkości warstw są źródłem tarcia lepkiego. Osobliwością tego zjawiska jest brak płynnego tarcia statycznego. Niezależnie od wielkości wpływu zewnętrznego, ciało w cieczy zaczyna się poruszać.
W zależności od prędkości ruchu o sile oporu decyduje prędkość ruchu, kształt poruszającego się ciała i lepkość cieczy. Ruchowi tego samego ciała w wodzie i oleju towarzyszy opór o różnej wielkości.
Dla małych prędkości: F = kv, gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności, zależnym od wymiarów liniowych ciała i właściwości ośrodka, v jest prędkością ciała.
Temperatura płynu wpływa również na tarcie w nim występujące. W mroźną pogodę samochód zostaje nagrzany, dzięki czemu olej się nagrzewa (spada jego lepkość) i pomaga ograniczyć niszczenie stykających się części silnika.
Zwiększanie prędkości jazdy
Znaczący wzrost prędkości ciała może spowodować pojawienie się przepływów turbulentnych, a opór gwałtownie wzrasta. Liczy się: kwadrat prędkości ruchu, gęstość ośrodka i siła tarcia przybiera inną postać:
F = kv 2, gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności w zależności od kształtu ciała i właściwości ośrodka, v jest prędkością ciała.
Jeśli ciało jest opływowe, turbulencje można zmniejszyć. Kształt ciała delfinów i wielorybów jest doskonałym przykładem praw natury wpływających na prędkość zwierząt.
Podejście energetyczne
Opór otoczenia uniemożliwia pracę ciała. Stosując zasadę zachowania energii, mówi się, że zmiana energii mechanicznej jest równa pracy wykonanej przez siły tarcia.
Pracę siły oblicza się ze wzoru: A = Fscosα, gdzie F to siła, pod wpływem której ciało przemieszcza się na odległość s, α to kąt pomiędzy kierunkami siły i przemieszczenia.
Oczywiście siła oporu jest przeciwna do ruchu ciała, stąd cosα = -1. Praca siły tarcia, której wzór to A tr = - Fs, jest wartością ujemną. W tym przypadku zamienia się w wewnętrzny (odkształcenie, nagrzanie).
Współczynnik tarcia ślizgowego należy mierzyć na dwa sposoby.
Pierwsza metoda polega na zmierzeniu za pomocą dynamometru siły, z jaką należy ciągnąć klocek z ładunkami po poziomej powierzchni, aby poruszał się równomiernie. Siła ta jest w wartości bezwzględnej równa sile tarcia działającej na klocek. Za pomocą tej samej dynamometru można znaleźć ciężar klocka z obciążeniami P. Ciężar ten jest równy sile normalnego nacisku klocka na powierzchnię, po której się ślizga. Po ustaleniu w ten sposób można znaleźć współczynnik tarcia. Jest równe:
Druga metoda pomiaru współczynnika tarcia pozwala eksperymentalnie określić nie siły, ale długości odcinków. Aby to zrobić, użyj równowagi bloku znajdującego się na pochyłej płaszczyźnie.
Jeżeli klocek znajduje się w równowadze na pochyłej płaszczyźnie, wówczas siła normalnego nacisku klocka na płaszczyznę jest równa składowej ciężkości prostopadłej do pochyłej płaszczyzny (ryc. 213). A siła tarcia w wartości bezwzględnej jest równa składowej grawitacji równoległej do pochyłej płaszczyzny.
Eksperyment polega na stopniowym zwiększaniu kąta nachylenia płaszczyzny i znajdowaniu kąta, pod którym klocek po prostu „odsunie się”. W takim przypadku siła tarcia będzie równa maksymalnej sile tarcia statycznego:
gdzie jest siła nacisku bloku na płaszczyznę.Ponieważ w tym przypadku, tj.
Łatwo to pokazać
Wynika to z podobieństwa trójkątów, dlatego współczynnik tarcia jest równy:
Z tego wzoru jasno wynika, że aby znaleźć współczynnik tarcia, wystarczy zmierzyć wysokość i podstawę pochyłej płaszczyzny, które określają nachylenie płaszczyzny, przy której klocek zaczyna się ślizgać.
Sprzęt i materiały: 1) linijka, 2) miarka,
3) hamownia, 4) klocek drewniany, 5) zestaw odważników, 6) statyw ze złączami i stopą.
Porządek pracy
1. Umieść blok na poziomej drewnianej linijce. Umieść ciężarek na bloku.
2. Po przymocowaniu dynamometru do bloku, przeciągnij go możliwie równomiernie wzdłuż linijki. Zanotuj odczyt dynamometru.
3. Zważ blok i ładunek.
4. Korzystając ze wzoru, znajdź współczynnik tarcia.
5. Powtórz doświadczenie, umieszczając na bloku kilka ciężarków.
6. Znajdź średnią arytmetyczną współczynników tarcia uzyskanych w różnych doświadczeniach.
7. Znajdź błąd każdego eksperymentu - różnicę pomiędzy wartościami uzyskanymi w różnych eksperymentach.
8. Wyznaczać średnią arytmetyczną błędów eksperymentalnych
9. Zrób tabelę wyników eksperymentów:
10. Zapisz wynik pomiaru w formularzu
11. Połóż linijkę na klocku z ciężarkami i powoli zmieniaj jej nachylenie, podnosząc jej koniec, aż bloczek zacznie ślizgać się po linijce.
Współczynnik tarcia jest główną cechą tarcia jako zjawiska. Decyduje o tym rodzaj i stan powierzchni ciał trących.
DEFINICJA
Współczynnik tarcia zwany współczynnikiem proporcjonalności, który łączy siłę tarcia () i siłę normalnego nacisku (N) ciała na podporę. Najczęściej współczynnik tarcia jest oznaczony literą . I tak współczynnik tarcia zawarty jest w prawie Coulomba-Amontona:
Współczynnik tarcia nie zależy od powierzchni stykających się powierzchni.
W tym przypadku mówimy o współczynniku tarcia ślizgowego, który zależy od całkowitych właściwości powierzchni trących i jest wielkością bezwymiarową. Współczynnik tarcia zależy od: jakości obróbki powierzchni, tarcia ciał, obecności na nich brudu, prędkości ruchu ciał względem siebie itp. Współczynnik tarcia wyznacza się empirycznie (eksperymentalnie).
Współczynnik tarcia, który odpowiada maksymalnej sile tarcia statycznego, jest w większości przypadków większy od współczynnika tarcia ruchu.
W przypadku większej liczby par materiałów współczynnik tarcia jest nie większy niż jedność i mieści się w granicach
Kąt tarcia
Czasami zamiast współczynnika tarcia stosuje się kąt tarcia (), który jest powiązany ze współczynnikiem stosunkiem:
Zatem kąt tarcia odpowiada minimalnemu kątowi nachylenia płaszczyzny względem horyzontu, przy którym ciało leżące na tej płaszczyźnie zacznie się zsuwać pod wpływem siły ciężkości. W tym przypadku spełniona jest równość:
Rzeczywisty współczynnik tarcia
Prawo tarcia, które uwzględnia wpływ sił przyciągania pomiędzy cząsteczkami a powierzchniami trącymi, jest zapisane w następujący sposób:
gdzie nazywany jest prawdziwym współczynnikiem tarcia, jest dodatkowym ciśnieniem powodowanym przez siły przyciągania międzycząsteczkowego, S jest całkowitą powierzchnią bezpośredniego kontaktu ciał trących.
Współczynnik tarcia tocznego
Współczynnik tarcia tocznego (k) można zdefiniować jako stosunek momentu tarcia tocznego () do siły, z jaką nadwozie dociska się do podpory (N):
Należy pamiętać, że współczynnik tarcia tocznego jest często oznaczony literą . Współczynnik ten, w odróżnieniu od wymienionych powyżej współczynników tarcia, ma wymiar długości. Oznacza to, że w układzie SI mierzy się go w metrach.
Współczynnik tarcia tocznego jest znacznie mniejszy niż współczynnik tarcia ślizgowego.
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
| Ćwiczenia | Lina częściowo leży na stole, część zwisa ze stołu. Jeśli jedna trzecia długości liny wisi nad stołem, zaczyna się ona zsuwać. Jaki jest współczynnik tarcia między liną a stołem? |
| Rozwiązanie | Lina zsuwa się ze stołu pod wpływem siły ciężkości. Oznaczmy siłę ciężkości działającą na jednostkę długości liny jako . W tym przypadku w momencie rozpoczęcia zjazdu siła ciężkości działająca na zwisającą część liny jest równa:
Przed rozpoczęciem poślizgu siła ta jest równoważona przez siłę tarcia działającą na część liny leżącą na stole: Ponieważ siły są zrównoważone, możemy napisać (): |
| Odpowiedź |
PRZYKŁAD 2
| Ćwiczenia | Jaki jest współczynnik tarcia ciała na płaszczyźnie (), jeżeli zależność drogi, po której porusza się ciało, wyraża się równaniem: gdzie Płaszczyzna tworzy kąt z horyzontem. |
| Rozwiązanie | Zapiszmy drugie prawo Newtona dotyczące sił przyłożonych do poruszającego się ciała: |
Konferencja naukowo-praktyczna
Współczynnik tarcia ich metody jego obliczenie
Penza 2010
Rozdział I Część teoretyczna
1. Rodzaje tarcia, współczynnik tarcia
Rozdział II. Część praktyczna
Obliczanie tarcia statycznego, ślizgowego i tocznego
Obliczanie współczynnika tarcia statycznego
Bibliografia
Rozdział I Część teoretyczna
1. Rodzaje tarcia, współczynnik tarcia
Na każdym kroku spotykamy się z tarciami. Bardziej trafne byłoby stwierdzenie, że bez tarcia nie możemy zrobić ani kroku. Jednak pomimo dużej roli, jaką tarcie odgrywa w naszym życiu, nie powstał jeszcze dostatecznie pełny obraz występowania tarcia. Nie wynika to nawet z faktu, że tarcie ma złożony charakter, ale raczej z faktu, że eksperymenty z tarciem są bardzo wrażliwe na obróbkę powierzchniową i dlatego są trudne do odtworzenia.
Istnieje zewnętrzny I tarcie wewnętrzne (inaczej tzwlepkość ). Zewnętrzny Ten rodzaj tarcia nazywany jest zjawiskiem, w którym w punktach styku ciał stałych powstają siły, które utrudniają wzajemny ruch ciał i są skierowane stycznie do ich powierzchni.
Tarcie wewnętrzne (lepkość) to rodzaj tarcia występującego podczas wzajemnego ruchu. warstwami cieczy lub gazu, pomiędzy nimi powstają siły styczne, uniemożliwiające taki ruch.
Tarcie zewnętrzne dzieli się natarcie statyczne (tarcie statyczne ) I tarcie kinematyczne . Tarcie statyczne występuje pomiędzy nieruchomymi ciałami stałymi, gdy próbują one poruszyć jednym z nich. Tarcie kinematyczne występuje pomiędzy wzajemnie stykającymi się poruszającymi się ciałami stałymi. Z kolei tarcie kinematyczne dzieli się natarcie ślizgowe I tarcie toczne .
Siły tarcia odgrywają ważną rolę w życiu człowieka. W niektórych przypadkach je wykorzystuje, a w innych z nimi walczy. Siły tarcia mają charakter elektromagnetyczny.
Jeśli ciało ślizga się po jakiejkolwiek powierzchni, jego ruch jest utrudnionysiła tarcia ślizgowego.
Gdzie N - siła reakcji podłoża, aμ - współczynnik tarcia ślizgowego. Współczynnikμ zależy od materiału i jakości obróbki stykających się powierzchni i nie zależy od masy ciała. Współczynnik tarcia wyznacza się doświadczalnie.
Siła tarcia ślizgowego jest zawsze skierowana przeciwnie do ruchu ciała. Kiedy zmienia się kierunek prędkości, zmienia się również kierunek siły tarcia.
Siła tarcia zaczyna działać na ciało, gdy próbują je poruszyć. Jeśli siła zewnętrznaF mniej produktuµN, wtedy ciało nie będzie się poruszać - początek ruchu, jak mówią, uniemożliwia siła tarcia statycznego. Ciało zacznie się poruszać dopiero wtedy, gdy zadziała siła zewnętrznaF przekroczy maksymalną wartość, jaką może mieć siła tarcia statycznego
Tarcie statyczne – siła tarcia, która uniemożliwia ruch jednego ciała na powierzchni drugiego.
Rozdział II. Część praktyczna
1. Obliczanie tarcia statycznego, ślizgowego i tocznego
Na podstawie powyższego empirycznie wyznaczyłem siłę tarcia statycznego, ślizgowego i tocznego. Wykorzystałem do tego kilka par ciał, w wyniku oddziaływania których powstałaby siła tarcia, oraz urządzenie do pomiaru siły – dynamometr.
Oto następujące pary ciał:
drewniany klocek w formie prostokątnego równoległościanu o określonej masie i lakierowany drewniany stół.
drewniany klocek w formie prostokątnego równoległościanu o mniejszej masie niż pierwszy oraz lakierowany drewniany stół.
drewniany klocek w formie walca o określonej masie i lakierowany drewniany stół.
drewniany klocek w formie walca o mniejszej masie niż pierwszy i lakierowany drewniany stół.
Po przeprowadzeniu eksperymentów można wyciągnąć następujący wniosek:
Siłę tarcia statycznego, ślizgowego i tocznego wyznacza się doświadczalnie.
Tarcie statyczne:
Dla 1) Fp=0,6 N, 2) Fp=0,4 N, 3) Fp=0,2 N, 4) Fp=0,15 N
Tarcie ślizgowe:
Dla 1) Fс=0,52 N, 2) Fс=0,33 N, 3) Fс=0,15 N, 4) Fс=0,11 N
Tarcie toczne:
Dla 3) Fk=0,14 N, 4) Fk=0,08 N
W ten sposób wyznaczyłem doświadczalnie wszystkie trzy rodzaje tarcia zewnętrznego i uzyskałem je
Fп> Fс > Fк dla tego samego ciała.
2. Obliczanie współczynnika tarcia statycznego
Ale bardziej interesująca jest nie siła tarcia, ale współczynnik tarcia. Jak to obliczyć i ustalić? I znalazłem tylko dwa sposoby określenia siły tarcia.
Pierwsza metoda jest bardzo prosta. Znajomość wzoru i wyznaczanie empiryczne i N, można wyznaczyć współczynnik tarcia statycznego, ślizgowego i tocznego.
1) N 0,81 N, 2) N 0,56 N, 3) N 2,3 N, 4) N 1,75
Współczynnik tarcia statycznego:
= 0,74; 2) = 0,71; 3) = 0,087; 4) = 0,084;
Współczynnik tarcia ślizgowego:
= 0,64; 2) = 0,59; 3) = 0,063; 4) = 0,063
Współczynnik tarcia tocznego:
3) = 0,06; 4) = 0,055;
Sprawdzając dane tabelaryczne, potwierdziłem poprawność moich wartości.
Ale druga metoda wyznaczania współczynnika tarcia jest również bardzo interesująca.
Ale ta metoda dobrze określa współczynnik tarcia statycznego, ale przy obliczaniu współczynnika tarcia ślizgowego i tocznego pojawia się szereg trudności.
Opis: Ciało pozostaje w spoczynku z innym ciałem. Następnie koniec drugiego ciała, na którym leży pierwsze ciało, zaczyna się podnosić, aż pierwsze ciało przesunie się ze swojego miejsca.
= grzech /cos =tg =BC/AC
W oparciu o drugą metodę obliczyłem pewną liczbę współczynników tarcia statycznego.
Drewno do drewna:
AB = 23,5 cm; BC = 13,5 cm.
P = BC/AC = 13,5/23,5 = 0,57
2. Styropian na drewnie:
AB = 18,5 cm; BC = 21 cm.
P = BC/AC = 21/18,5 = 1,1
3. Szkło na drewnie:
AB = 24,3 cm; BC = 11 cm.
P = BC/AC = 11/24,3 = 0,45
4. Aluminium na drewnie:
AB = 25,3 cm; BC = 10,5 cm.
P = BC/AC = 10,5/25,3 = 0,41
5. Stal na drewnie:
AB = 24,6 cm; BC = 11,3 cm.
P = BC/AC = 11,3/24,6 = 0,46
6. Org. Szkło na drewnie:
AB = 25,1 cm; BC = 10,5 cm.
P = BC/AC = 10,5/25,1 = 0,42
7. Grafit na drewnie:
AB = 23 cm; BC = 14,4 cm.
P = BC/AC = 14,4/23 = 0,63
8. Aluminium na tekturze:
AB = 36,6 cm; BC = 17,5 cm.
P = BC/AC = 17,5/36,6 = 0,48
9. Żelazko na plastiku:
AB = 27,1 cm; BC = 11,5 cm.
P = BC/AC = 11,5/27,1 = 0,43
10. Org. Szkło na plastiku:
AB = 26,4 cm; BC = 18,5 cm.
P = BC/AC = 18,5/26,4 = 0,7
Na podstawie moich obliczeń i eksperymentów doszedłem do takiego wniosku P > C > K , co niewątpliwie odpowiadało podstawom teoretycznym zaczerpniętym z literatury. Wyniki moich obliczeń nie wykraczały poza dane tabelaryczne, a nawet je uzupełniały, w wyniku czego rozszerzyłem tabelaryczne wartości współczynników tarcia różnych materiałów.
Literatura
1. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Podstawy obliczeń tarcia i zużycia. M.: Inżynieria mechaniczna, 1977. 526 s.
Frolov, K.V. (red.):Nowoczesna tribologia: wyniki i perspektywy. Wydawnictwo LKI, 2008
Elkin V.I. „Niezwykłe materiały edukacyjne z fizyki”. Biblioteka czasopisma „Fizyka w szkole”, nr 16, 2000.
Mądrość tysiącleci. Encyklopedia. Moskwa, Olma – prasa, 2006.
Tarcie to proces fizyczny, bez którego sam ruch nie mógłby istnieć w naszym świecie. W fizyce, aby obliczyć wartość bezwzględną siły tarcia, należy znać specjalny współczynnik dla rozpatrywanych powierzchni trących. Ten artykuł odpowie na to pytanie.
Tarcie w fizyce
Zanim odpowiemy na pytanie, jak znaleźć współczynnik tarcia, należy zastanowić się, czym jest tarcie i jaką siłą się charakteryzuje.
W fizyce istnieją trzy rodzaje tego procesu zachodzącego pomiędzy ciałami stałymi. To się ślizga i toczy. Tarcie statyczne występuje, gdy siła zewnętrzna próbuje przesunąć obiekt. Tarcie ślizgowe, jak sama nazwa wskazuje, występuje, gdy jedna powierzchnia ślizga się po drugiej. Wreszcie tarcie toczne pojawia się, gdy okrągły przedmiot (koło, kulka) toczy się po jakiejś powierzchni.
Wszystkie typy łączy fakt, że uniemożliwiają jakikolwiek ruch, a punkt przyłożenia ich sił znajduje się w obszarze styku powierzchni dwóch obiektów. Ponadto wszystkie te typy przekształcają energię mechaniczną w ciepło.
Przyczynami sił ślizgowych i tarcia statycznego są mikroskopijne nierówności na powierzchniach, które się trą. Ponadto typy te są spowodowane przez dipol-dipol i inne rodzaje interakcji między atomami i cząsteczkami, które tworzą ciała trące.
Przyczyną tarcia tocznego jest histereza odkształcenia sprężystego, która pojawia się w miejscu styku toczącego się obiektu z powierzchnią.
Siła tarcia i współczynnik tarcia
Wszystkie trzy rodzaje stałych sił tarcia są opisane wyrażeniami, które mają tę samą postać. Dajmy to:
Tutaj N jest siłą działającą prostopadle do powierzchni ciała. Nazywa się to reakcją podłoża. Wartość µt nazywana jest współczynnikiem odpowiedniego rodzaju tarcia.
Współczynniki tarcia ślizgowego i statycznego są wielkościami bezwymiarowymi. Można to zrozumieć, patrząc na równość siły tarcia i współczynnika tarcia. Lewa strona równania jest wyrażona w niutonach, prawa strona jest również wyrażona w niutonach, ponieważ wielkość N jest siłą.
Jeśli chodzi o tarcie toczne, jego współczynnik będzie również wielkością bezwymiarową, ale definiuje się go jako stosunek liniowej charakterystyki odkształcenia sprężystego do promienia toczącego się obiektu.
Należy powiedzieć, że typowe wartości współczynników tarcia ślizgowego i statycznego są dziesiątymi jedności. Ponieważ współczynnik ten odpowiada setnym i tysięcznym jednostki.
Jak znaleźć współczynnik tarcia?
Współczynnik µt zależy od wielu czynników, które trudno uwzględnić matematycznie. Wymieńmy niektóre z nich:
- materiał powierzchni trących;
- jakość obróbki powierzchni;
- obecność brudu, wody itp.;
- temperatury powierzchni.
Dlatego nie ma wzoru na µt i należy go zmierzyć eksperymentalnie. Aby zrozumieć, jak znaleźć współczynnik tarcia, należy go wyrazić ze wzoru na F t. Mamy:
Okazuje się, że aby poznać µ t należy obliczyć siłę tarcia i reakcję podpory.
Odpowiednie doświadczenie przeprowadza się w następujący sposób:
- Weźmy na przykład ciało i samolot wykonane z drewna.
- Zaczepić dynamometr do korpusu i przesuwać go równomiernie po powierzchni.
W tym przypadku dynamometr pokazuje pewną siłę równą F t. równy ciężarowi ciała na poziomej powierzchni.
Opisana metoda pozwala zrozumieć, jaki jest współczynnik tarcia statycznego i ślizgowego. W podobny sposób można doświadczalnie wyznaczyć µ t walcowania.
Inną eksperymentalną metodę wyznaczania µt podano w formie zadania w następnym akapicie.
Problem z obliczeniem µt
Drewniana belka znajduje się na szklanej powierzchni. Stopniowo nachylając powierzchnię ustalono, że przesuwanie belki rozpoczyna się przy kącie nachylenia 15°. Jaki jest współczynnik tarcia statycznego pary drewno-szkło?
Gdy belka znajdowała się na płaszczyźnie pochyłej pod kątem 15 o, siła tarcia spoczynkowego dla niej osiągnęła wartość maksymalną. Jest równe:
Siłę N określa się ze wzoru:
Stosując wzór na µ t otrzymujemy:
µ t = F t /N = m*g*sin(α)/(m*g*cos(α)) = tan(α).
Podstawiając kąt α, dochodzimy do odpowiedzi: µ t = 0,27.
