Η δύναμη της τριβής είναι ένα φυσικό μέγεθος που εμποδίζει οποιαδήποτε κίνηση του σώματος. Εμφανίζεται, κατά κανόνα, όταν τα σώματα κινούνται σε στερεά, υγρή και αέρια ύλη. Διάφοροι τύποι δυνάμεων τριβής παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή του ανθρώπου, καθώς εμποδίζουν την υπερβολική αύξηση της ταχύτητας των σωμάτων.
Ταξινόμηση δυνάμεων τριβής
Στη γενική περίπτωση, όλοι οι τύποι δυνάμεων τριβής περιγράφονται από τρεις τύπους: τη δύναμη τριβής της ολίσθησης, της κύλισης και της ανάπαυσης. Το πρώτο είναι στατικό, τα άλλα δύο είναι δυναμικά. Η τριβή σε ηρεμία εμποδίζει το σώμα να αρχίσει να κινείται, με τη σειρά του, όταν ολισθαίνει, υπάρχει τριβή όταν το σώμα τρίβεται στην επιφάνεια ενός άλλου σώματος κατά την κίνησή του. Η τριβή κύλισης συμβαίνει όταν ένα στρογγυλό αντικείμενο κινείται. Ας πάρουμε ένα παράδειγμα. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του τύπου (δύναμη τριβής κύλισης) είναι η κίνηση των τροχών του αυτοκινήτου στην άσφαλτο.
Η φύση των δυνάμεων τριβής είναι η ύπαρξη μικροσκοπικών ατελειών μεταξύ των επιφανειών τριβής δύο σωμάτων. Για το λόγο αυτό, η προκύπτουσα δύναμη ενεργεί σεένα αντικείμενο που κινείται ή αρχίζει να κινείται, αποτελείται από το άθροισμα της δύναμης της κανονικής αντίδρασης του στηρίγματος N, που κατευθύνεται κάθετα στην επιφάνεια των σωμάτων που έρχονται σε επαφή, και της δύναμης τριβής F. Η τελευταία κατευθύνεται παράλληλα προς επιφάνεια επαφής και είναι αντίθετη από την κίνηση του σώματος.
Τριβή μεταξύ δύο στερεών
Κατά την εξέταση του ζητήματος των διαφορετικών τύπων δυνάμεων τριβής, παρατηρήθηκαν τα ακόλουθα μοτίβα για δύο στερεά σώματα:
- Η δύναμη τριβής κατευθύνεται παράλληλα προς την επιφάνεια στήριξης.
- Ο συντελεστής τριβής εξαρτάται από τη φύση των επιφανειών που έρχονται σε επαφή, καθώς και από την κατάστασή τους.
- Η μέγιστη δύναμη τριβής είναι ευθέως ανάλογη με την κανονική δύναμη ή αντίδραση στήριξης που δρα μεταξύ των επιφανειών επαφής.
- Για τα ίδια σώματα, η δύναμη τριβής είναι μεγαλύτερη πριν αρχίσει να κινείται το σώμα και στη συνέχεια μειώνεται όταν το σώμα αρχίζει να κινείται.
- Ο συντελεστής τριβής δεν εξαρτάται από την περιοχή επαφής και πρακτικά δεν εξαρτάται από την ταχύτητα ολίσθησης.
Νόμοι
Συνοψίζοντας το πειραματικό υλικό σχετικά με τους νόμους της κίνησης, δημιουργήσαμε τους ακόλουθους βασικούς νόμους σχετικά με την τριβή:
- Η αντίσταση στην ολίσθηση μεταξύ δύο σωμάτων είναι ανάλογη της κανονικής δύναμης που ασκείται μεταξύ τους.
- Η αντίσταση στην κίνηση μεταξύ των σωμάτων τριβής δεν εξαρτάται από την περιοχή επαφής μεταξύ τους.
Για να δείξουμε τον δεύτερο νόμο, μπορούμε να δώσουμε το ακόλουθο παράδειγμα: αν πάρετε ένα μπλοκ και το μετακινήσετε ολισθαίνοντας στην επιφάνεια, τότε η απαραίτητη δύναμη για μια τέτοια κίνησηθα είναι το ίδιο όταν το μπλοκ βρίσκεται στην επιφάνεια με τη μακριά πλευρά του και όταν στέκεται με το άκρο του.
Οι νόμοι που αφορούν διάφορους τύπους δυνάμεων τριβής στη φυσική ανακαλύφθηκαν στα τέλη του 15ου αιώνα από τον Leonard da Vinci. Στη συνέχεια ξεχάστηκαν για πολύ καιρό και μόλις το 1699 ανακαλύφθηκαν ξανά από τον Γάλλο μηχανικό Amonton. Από τότε, οι νόμοι της τριβής φέρουν το όνομά του.
Γιατί η δύναμη τριβής είναι μεγαλύτερη από αυτή της ολίσθησης σε κατάσταση ηρεμίας;
Όταν εξετάζουμε διάφορους τύπους δυνάμεων τριβής (ηρεμίας και ολίσθησης), θα πρέπει να σημειωθεί ότι η δύναμη στατικής τριβής είναι πάντα μικρότερη ή ίση με το γινόμενο του συντελεστή στατικής τριβής και της δύναμης αντίδρασης του υποστηρίγματος. Ο συντελεστής τριβής προσδιορίζεται πειραματικά για αυτά τα υλικά τριβής και καταχωρείται στους κατάλληλους πίνακες.
Η δυναμική δύναμη υπολογίζεται με τον ίδιο τρόπο όπως η στατική δύναμη. Μόνο σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής τριβής χρησιμοποιείται ειδικά για ολίσθηση. Ο συντελεστής τριβής συνήθως συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα Μ (mu). Έτσι, ο γενικός τύπος και για τις δύο δυνάμεις τριβής είναι: Ftr=ΜN, όπου N είναι η δύναμη αντίδρασης υποστήριξης.
Η φύση της διαφοράς μεταξύ αυτών των τύπων δυνάμεων τριβής δεν έχει εξακριβωθεί με ακρίβεια. Ωστόσο, οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι η στατική δύναμη τριβής είναι μεγαλύτερη από αυτή της ολίσθησης, επειδή όταν τα σώματα βρίσκονται σε ηρεμία μεταξύ τους για κάποιο χρονικό διάστημα, μπορούν να σχηματιστούν ιοντικοί δεσμοί ή μικροσυντήξεις μεμονωμένων σημείων των επιφανειών μεταξύ των επιφανειών τους. Αυτοί οι παράγοντες προκαλούν αύξηση του στατικούδείκτης.
Ένα παράδειγμα αρκετών τύπων δύναμης τριβής και η εκδήλωσή τους είναι το έμβολο στον κύλινδρο ενός κινητήρα αυτοκινήτου, το οποίο «κολλάται» στον κύλινδρο εάν ο κινητήρας δεν λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Οριζόντιο συρόμενο σώμα
Ας πάρουμε την εξίσωση κίνησης για ένα σώμα που, υπό τη δράση μιας εξωτερικής δύναμης Fσε, αρχίζει να κινείται κατά μήκος της επιφάνειας ολισθαίνοντας. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ακόλουθες δυνάμεις δρουν στο σώμα:
- Fv – εξωτερική δύναμη;
- Ftr – δύναμη τριβής που είναι αντίθετη ως προς τη δύναμη Fv;
- N είναι η δύναμη αντίδρασης του στηρίγματος, η οποία είναι ίση σε απόλυτη τιμή με το βάρος του σώματος P και κατευθύνεται προς την επιφάνεια, δηλαδή σε ορθή γωνία προς αυτήν.
Λαμβάνοντας υπόψη τις κατευθύνσεις όλων των δυνάμεων, γράφουμε τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα για αυτήν την περίπτωση κίνησης: Fv - Ftr=mα, όπου m - μάζα σώματος, α - επιτάχυνση της κίνησης. Γνωρίζοντας ότι Ftr=ΜN, N=P=mg, όπου g είναι η επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης, παίρνουμε: Fv – Μmg=ma. Ως εκ τούτου, εκφράζοντας την επιτάχυνση με την οποία κινείται το συρόμενο σώμα, παίρνουμε: a=F σε / m – Μg.
Κίνηση άκαμπτου σώματος σε υγρό
Όταν εξετάζουμε ποιοι τύποι δυνάμεων τριβής υπάρχουν, θα πρέπει να αναφέρουμε ένα σημαντικό φαινόμενο στη φυσική, το οποίο είναι η περιγραφή του τρόπου με τον οποίο κινείται ένα στερεό σώμα σε ένα υγρό. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για αεροδυναμική τριβή, η οποία καθορίζεται ανάλογα με την ταχύτητα του σώματος στο ρευστό. Υπάρχουν δύο τύποι κίνησης:
- Πότεένα άκαμπτο σώμα κινείται με χαμηλή ταχύτητα, μιλάμε για στρωτή κίνηση. Η δύναμη τριβής στη στρωτή κίνηση είναι ανάλογη της ταχύτητας. Ένα παράδειγμα είναι ο νόμος του Στόουκς για τα σφαιρικά σώματα.
- Όταν η κίνηση ενός σώματος σε ένα ρευστό γίνεται με μεγαλύτερη ταχύτητα από μια ορισμένη τιμή κατωφλίου, τότε αρχίζουν να εμφανίζονται δίνες από τις ροές ρευστού γύρω από το σώμα. Αυτές οι δίνες δημιουργούν μια πρόσθετη δύναμη που εμποδίζει την κίνηση, και ως αποτέλεσμα, η δύναμη τριβής είναι ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητας.
Φύση της δύναμης τριβής κύλισης
Όταν μιλάμε για τους τύπους δυνάμεων τριβής, συνηθίζεται να ονομάζουμε τη δύναμη τριβής κύλισης τρίτο τύπο. Εκδηλώνεται όταν ένα σώμα κυλά πάνω από μια συγκεκριμένη επιφάνεια και εμφανίζεται παραμόρφωση αυτού του σώματος και η ίδια η επιφάνεια. Δηλαδή, στην περίπτωση ενός απολύτως μη παραμορφώσιμου σώματος και επιφάνειας, δεν έχει νόημα να μιλάμε για τη δύναμη της τριβής κύλισης. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά.
Η έννοια του συντελεστή τριβής κύλισης είναι παρόμοια με αυτή της ολίσθησης. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ολίσθηση μεταξύ των επιφανειών των σωμάτων κατά την κύλιση, ο συντελεστής τριβής κύλισης είναι πολύ μικρότερος από ό,τι για την ολίσθηση.
Ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει τον συντελεστή είναι η υστέρηση της μηχανικής ενέργειας για τον τύπο της δύναμης τριβής κύλισης. Συγκεκριμένα, ο τροχός, ανάλογα με το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένος, καθώς και με το φορτίο που φέρει, παραμορφώνεται ελαστικά κατά την κίνηση. Οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι ελαστικής παραμόρφωσης οδηγούν στη μεταφορά μέρους της μηχανικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια. Επιπλέον, λόγωζημιά, η επαφή του τροχού και της επιφάνειας έχει ήδη κάποια πεπερασμένη περιοχή επαφής.
φόρμουλα δύναμης τριβής κύλισης
Αν εφαρμόσουμε την έκφραση για τη στιγμή της δύναμης που περιστρέφει τον τροχό, τότε μπορούμε να καταλάβουμε ότι η δύναμη τριβής κύλισης είναι Ftr.k.=Μ k N / R, εδώ N είναι η αντίδραση του στηρίγματος, R είναι η ακτίνα του τροχού, Μk – συντελεστής τριβής κύλισης. Έτσι, η δύναμη τριβής κύλισης είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ακτίνα, γεγονός που εξηγεί το πλεονέκτημα των μεγάλων τροχών έναντι των μικρών.
Η αντίστροφη αναλογία αυτής της δύναμης προς την ακτίνα του τροχού υποδηλώνει ότι στην περίπτωση δύο τροχών διαφορετικών ακτίνων που έχουν την ίδια μάζα και είναι κατασκευασμένοι από το ίδιο υλικό, ο τροχός με τη μεγαλύτερη ακτίνα είναι ευκολότερος κουνάω.
αναλογία κύλισης
Σύμφωνα με τον τύπο για αυτόν τον τύπο δύναμης τριβής, λαμβάνουμε ότι ο συντελεστής τριβής κύλισης Μk έχει τη διάσταση του μήκους. Εξαρτάται κυρίως από τη φύση των φορέων που έρχονται σε επαφή. Η τιμή, η οποία καθορίζεται από τον λόγο του συντελεστή τριβής κύλισης προς την ακτίνα, ονομάζεται συντελεστής κύλισης, δηλαδή Ck=Μk / R είναι μια αδιάστατη ποσότητα.
Ο συντελεστής κύλισης Ck είναι σημαντικά μικρότερος από τον συντελεστή τριβής ολίσθησης Μtr. Επομένως, όταν απαντάμε στο ερώτημα ποιος τύπος δύναμης τριβής είναι η μικρότερη, μπορούμε με ασφάλεια να ονομάσουμε δύναμη τριβής κύλισης. Χάρη σε αυτό το γεγονός, η εφεύρεση του τροχού θεωρείται σημαντικό βήμα στην τεχνολογική πρόοδο.ανθρωπιά.
Η αναλογία κύλισης είναι συγκεκριμένη για το σύστημα και εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες:
- σκληρότητα του τροχού και της επιφάνειας (όσο μικρότερη είναι η παραμόρφωση των σωμάτων που συμβαίνει κατά την κίνηση, τόσο χαμηλότερος είναι ο συντελεστής κύλισης);
- ακτίνα τροχού;
- βάρος που δρα στον τροχό;
- επιφάνεια επαφής και το σχήμα της;
- ιξώδες στην περιοχή επαφής μεταξύ του τροχού και της επιφάνειας;
- θερμοκρασία σώματος
