Η τριβή είναι ένα φυσικό φαινόμενο με το οποίο παλεύει ένα άτομο για να το μειώσει σε οποιαδήποτε περιστρεφόμενα και ολισθαίνοντα μέρη μηχανισμών, χωρίς το οποίο, ωστόσο, η κίνηση οποιουδήποτε από αυτούς τους μηχανισμούς είναι αδύνατη. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε, από τη σκοπιά της φυσικής, ποια είναι η δύναμη της τριβής κύλισης.
Τι τύποι δυνάμεων τριβής υπάρχουν στη φύση;
Αρχικά, σκεφτείτε ποια θέση παίρνει η τριβή κύλισης μεταξύ άλλων δυνάμεων τριβής. Αυτές οι δυνάμεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα της επαφής δύο διαφορετικών σωμάτων. Μπορεί να είναι στερεά, υγρά ή αέρια σώματα. Για παράδειγμα, η πτήση ενός αεροσκάφους στην τροπόσφαιρα συνοδεύεται από την παρουσία τριβής μεταξύ του σώματός του και των μορίων του αέρα.
Λαμβάνοντας υπόψη αποκλειστικά τα στερεά σώματα, ξεχωρίζουμε τις δυνάμεις τριβής της ηρεμίας, της ολίσθησης και της κύλισης. Καθένας από εμάς παρατήρησε: για να κουνήσετε ένα κουτί στο πάτωμα, είναι απαραίτητο να ασκήσετε κάποια δύναμη κατά μήκος της επιφάνειας του δαπέδου. Η τιμή της δύναμης που θα φέρει τα κιβώτια εκτός ηρεμίας θα είναι ίση σε απόλυτη τιμή με τη δύναμη τριβής ηρεμίας. Το τελευταίο δρα μεταξύ του πυθμένα του κουτιού και της επιφάνειας του δαπέδου.
ΠώςΜόλις το κιβώτιο αρχίσει να κινείται, πρέπει να ασκηθεί σταθερή δύναμη για να διατηρηθεί ομοιόμορφη αυτή η κίνηση. Αυτό το γεγονός συνδέεται με το γεγονός ότι μεταξύ της επαφής του δαπέδου και του κουτιού, η δύναμη τριβής ολίσθησης δρα στο τελευταίο. Κατά κανόνα, είναι αρκετές δεκάδες τοις εκατό λιγότερο από τη στατική τριβή.
Αν βάλετε στρογγυλούς κυλίνδρους από σκληρό υλικό κάτω από το κουτί, θα είναι πολύ πιο εύκολο να το μετακινήσετε. Η δύναμη τριβής κύλισης θα δράσει στους κυλίνδρους που περιστρέφονται κατά τη διαδικασία της κίνησης κάτω από το κιβώτιο. Συνήθως είναι πολύ μικρότερη από τις δύο προηγούμενες δυνάμεις. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η εφεύρεση του τροχού από την ανθρωπότητα ήταν ένα τεράστιο άλμα προς την πρόοδο, επειδή οι άνθρωποι ήταν σε θέση να μετακινούν πολύ μεγαλύτερα φορτία με μικρή εφαρμοζόμενη δύναμη.
Φυσική φύση της τριβής κύλισης
Γιατί συμβαίνει τριβή κύλισης; Αυτή η ερώτηση δεν είναι εύκολη. Για να το απαντήσουμε, θα πρέπει κανείς να εξετάσει λεπτομερώς τι συμβαίνει με τον τροχό και την επιφάνεια κατά τη διαδικασία κύλισης. Πρώτα απ 'όλα, δεν είναι τέλεια λεία - ούτε η επιφάνεια του τροχού, ούτε η επιφάνεια στην οποία κυλάει. Ωστόσο, αυτή δεν είναι η κύρια αιτία τριβής. Ο κύριος λόγος είναι η παραμόρφωση του ενός ή και των δύο σωμάτων.
Οποιαδήποτε σώματα, ανεξάρτητα από το στερεό υλικό που είναι κατασκευασμένα, παραμορφώνονται. Όσο μεγαλύτερο είναι το βάρος του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση που ασκεί στην επιφάνεια, που σημαίνει ότι παραμορφώνεται μόνο του στο σημείο επαφής και παραμορφώνει την επιφάνεια. Αυτή η παραμόρφωση σε ορισμένες περιπτώσεις είναι τόσο μικρή που δεν υπερβαίνει το όριο ελαστικότητας.
Βκατά την κύλιση του τροχού, οι παραμορφωμένες περιοχές μετά τον τερματισμό της επαφής με την επιφάνεια επαναφέρουν το αρχικό τους σχήμα. Ωστόσο, αυτές οι παραμορφώσεις επαναλαμβάνονται κυκλικά με μια νέα περιστροφή του τροχού. Οποιαδήποτε κυκλική παραμόρφωση, ακόμα κι αν βρίσκεται στο όριο ελαστικότητας, συνοδεύεται από υστέρηση. Με άλλα λόγια, σε μικροσκοπικό επίπεδο, το σχήμα του σώματος πριν και μετά την παραμόρφωση είναι διαφορετικό. Η υστέρηση των κύκλων παραμόρφωσης κατά την κύλιση του τροχού οδηγεί στη «διασπορά» της ενέργειας, η οποία εκδηλώνεται στην πράξη με τη μορφή της εμφάνισης μιας δύναμης τριβής κύλισης.
Perfect Body Rolling
Κάτω από το ιδανικό σώμα σε αυτή την περίπτωση εννοούμε ότι είναι μη παραμορφώσιμο. Στην περίπτωση ενός ιδανικού τροχού, το εμβαδόν επαφής του με την επιφάνεια είναι μηδέν (αγγίζει την επιφάνεια κατά μήκος της γραμμής).
Ας χαρακτηρίσουμε τις δυνάμεις που δρουν σε έναν μη παραμορφώσιμο τροχό. Πρώτον, πρόκειται για δύο κατακόρυφες δυνάμεις: το βάρος σώματος P και τη δύναμη αντίδρασης στήριξης N. Και οι δύο δυνάμεις διέρχονται από το κέντρο μάζας (άξονας τροχού), επομένως δεν συμμετέχουν στη δημιουργία ροπής. Για αυτούς, μπορείτε να γράψετε:
P=N
Δεύτερον, πρόκειται για δύο οριζόντιες δυνάμεις: μια εξωτερική δύναμη F που σπρώχνει τον τροχό προς τα εμπρός (διέρχεται από το κέντρο μάζας) και μια δύναμη τριβής κύλισης fr. Το τελευταίο δημιουργεί μια ροπή M. Για αυτούς, μπορείτε να γράψετε τις ακόλουθες ισότητες:
M=frr;
F=fr
Εδώ r είναι η ακτίνα του τροχού. Αυτές οι ισότητες περιέχουν ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα. Εάν η δύναμη τριβής fr είναι απείρως μικρή, τότεθα εξακολουθεί να δημιουργεί μια ροπή που θα κάνει τον τροχό να κινηθεί. Εφόσον η εξωτερική δύναμη F είναι ίση με fr, τότε οποιαδήποτε απείρως μικρή τιμή του F θα κάνει τον τροχό να κυλήσει. Αυτό σημαίνει ότι εάν το κυλιόμενο σώμα είναι ιδανικό και δεν παρουσιάζει παραμόρφωση κατά την κίνηση, τότε δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για δύναμη τριβής κύλισης.
Όλα τα υπάρχοντα σώματα είναι πραγματικά, δηλαδή παρουσιάζουν παραμόρφωση.
Πραγματικό κύλιση σώματος
Σκεφτείτε τώρα την κατάσταση που περιγράφηκε παραπάνω μόνο για την περίπτωση πραγματικών (παραμορφώσιμων) σωμάτων. Η περιοχή επαφής μεταξύ του τροχού και της επιφάνειας δεν θα είναι πλέον μηδέν, θα έχει κάποια πεπερασμένη τιμή.
Ας αναλύσουμε τις δυνάμεις. Ας ξεκινήσουμε με τη δράση των κατακόρυφων δυνάμεων, δηλαδή το βάρος και την αντίδραση του στηρίγματος. Εξακολουθούν να είναι ίσα μεταξύ τους, δηλ.:
N=P
Ωστόσο, η δύναμη N δρα τώρα κατακόρυφα προς τα πάνω όχι μέσω του άξονα του τροχού, αλλά μετατοπίζεται ελαφρά από αυτόν κατά μια απόσταση d. Αν φανταστούμε την περιοχή επαφής του τροχού με την επιφάνεια ως την περιοχή ενός ορθογωνίου, τότε το μήκος αυτού του ορθογωνίου θα είναι το πάχος του τροχού και το πλάτος θα είναι ίσο με 2d.
Τώρα ας προχωρήσουμε στην εξέταση των οριζόντιων δυνάμεων. Η εξωτερική δύναμη F εξακολουθεί να μην δημιουργεί ροπή και είναι ίση με τη δύναμη τριβής fr σε απόλυτη τιμή, δηλαδή:
F=fr.
Η ροπή των δυνάμεων που οδηγούν στην περιστροφή θα δημιουργήσει τριβή frκαι την αντίδραση του στηρίγματος N. Επιπλέον, αυτές οι ροπές θα κατευθύνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Η αντίστοιχη έκφραση είναιτύπος:
M=Nd - frr
Στην περίπτωση ομοιόμορφης κίνησης, η στιγμή M θα είναι ίση με μηδέν, οπότε παίρνουμε:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Η τελευταία ισότητα, λαμβάνοντας υπόψη τους τύπους που γράφτηκαν παραπάνω, μπορεί να ξαναγραφτεί ως εξής:
F=d/rP
Στην πραγματικότητα, πήραμε τον κύριο τύπο για την κατανόηση της δύναμης τριβής κύλισης. Περαιτέρω στο άρθρο θα το αναλύσουμε.
Συντελεστής αντίστασης κύλισης
Αυτός ο συντελεστής έχει ήδη εισαχθεί παραπάνω. Δόθηκε επίσης μια γεωμετρική εξήγηση. Μιλάμε για την τιμή του d. Προφανώς, όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η τιμή, τόσο μεγαλύτερη είναι η στιγμή που δημιουργείται η δύναμη αντίδρασης του στηρίγματος, η οποία εμποδίζει την κίνηση του τροχού.
Ο συντελεστής αντίστασης κύλισης d, σε αντίθεση με τους συντελεστές στατικής τριβής και τριβής ολίσθησης, είναι μια τιμή διαστάσεων. Μετριέται σε μονάδες μήκους. Σε πίνακες, συνήθως δίνεται σε χιλιοστά. Για παράδειγμα, για τροχούς τρένου που κυλίονται σε χαλύβδινες ράγες, d=0,5 mm. Η τιμή του d εξαρτάται από τη σκληρότητα των δύο υλικών, το φορτίο στον τροχό, τη θερμοκρασία και ορισμένους άλλους παράγοντες.
Συντελεστής τριβής κύλισης
Μην το συγχέετε με τον προηγούμενο συντελεστή d. Ο συντελεστής τριβής κύλισης συμβολίζεται με το σύμβολο Cr και υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Cr=d/r
Αυτή η ισότητα σημαίνει ότι το Cr είναι αδιάστατο. Είναι αυτή που δίνεται σε διάφορους πίνακες που περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τον εξεταζόμενο τύπο τριβής. Αυτός ο συντελεστής είναι βολικός στη χρήση για πρακτικούς υπολογισμούς,γιατί δεν περιλαμβάνει τη γνώση της ακτίνας του τροχού.
Η τιμή του Cr στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μικρότερη από τους συντελεστές τριβής και ηρεμίας. Για παράδειγμα, για τα ελαστικά αυτοκινήτων που κινούνται στην άσφαλτο, η τιμή του Cr είναι εντός λίγων εκατοστών (0,01 - 0,06). Ωστόσο, αυξάνεται σημαντικά όταν τρέχετε σκασμένα ελαστικά σε γρασίδι και άμμο (≈0,4).
Ανάλυση του προκύπτοντος τύπου για τη δύναμη fr
Ας γράψουμε ξανά τον παραπάνω τύπο για τη δύναμη τριβής κύλισης:
F=d/rP=fr
Από την ισότητα προκύπτει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος του τροχού, τόσο λιγότερη δύναμη F θα πρέπει να ασκηθεί για να αρχίσει να κινείται. Τώρα γράφουμε αυτήν την ισότητα μέσω του συντελεστή Cr, έχουμε:
fr=CrP
Όπως μπορείτε να δείτε, η δύναμη της τριβής είναι ευθέως ανάλογη με το βάρος του σώματος. Επιπλέον, με σημαντική αύξηση του βάρους P, αλλάζει ο ίδιος ο συντελεστής Cr (αυξάνεται λόγω της αύξησης του d). Στις περισσότερες πρακτικές περιπτώσεις, το Cr βρίσκεται μέσα σε μερικά εκατοστά. Με τη σειρά του, η τιμή του συντελεστή τριβής ολίσθησης βρίσκεται μέσα σε λίγα δέκατα. Δεδομένου ότι οι τύποι για τις δυνάμεις τριβής κύλισης και ολίσθησης είναι οι ίδιοι, η κύλιση αποδεικνύεται ωφέλιμη από ενεργειακή άποψη (η δύναμη fr είναι τάξη μεγέθους μικρότερη από τη δύναμη ολίσθησης σε οι πιο πρακτικές καταστάσεις).
Κατάσταση κύλισης
Πολλοί από εμάς έχουμε αντιμετωπίσει το πρόβλημα της ολίσθησης των τροχών του αυτοκινήτου κατά την οδήγηση σε πάγο ή λάσπη. Γιατί είναι αυτόσυμβαίνει? Το κλειδί για την απάντηση αυτής της ερώτησης βρίσκεται στην αναλογία των απόλυτων τιμών των δυνάμεων τριβής κύλισης και ηρεμίας. Ας γράψουμε ξανά τον κυλιόμενο τύπο:
F ≧ CrP
Όταν η δύναμη F είναι μεγαλύτερη ή ίση με την τριβή κύλισης, τότε ο τροχός θα αρχίσει να κυλά. Ωστόσο, εάν αυτή η δύναμη υπερβεί την τιμή της στατικής τριβής νωρίτερα, τότε ο τροχός θα γλιστρήσει νωρίτερα από την κύλισή του.
Έτσι, το φαινόμενο ολίσθησης καθορίζεται από τον λόγο των συντελεστών στατικής τριβής και τριβής κύλισης.
Τρόποι για την αντιμετώπιση της ολίσθησης του τροχού του αυτοκινήτου
Η τριβή κύλισης ενός τροχού αυτοκινήτου σε μια ολισθηρή επιφάνεια (για παράδειγμα, σε πάγο) χαρακτηρίζεται από τον συντελεστή Cr=0,01-0,06. Ωστόσο, οι τιμές του η ίδια σειρά είναι χαρακτηριστική για τον συντελεστή στατικής τριβής.
Για να αποφευχθεί ο κίνδυνος ολίσθησης των τροχών, χρησιμοποιούνται ειδικά «χειμερινά» ελαστικά, μέσα στα οποία βιδώνονται μεταλλικές ακίδες. Τα τελευταία, συντρίβοντας στην επιφάνεια του πάγου, αυξάνουν τον συντελεστή στατικής τριβής.
Ένας άλλος τρόπος για να αυξήσετε τη στατική τριβή είναι να τροποποιήσετε την επιφάνεια στην οποία κινείται ο τροχός. Για παράδειγμα, πασπαλίζοντάς το με άμμο ή αλάτι.
