Κάθε μαθητής γνωρίζει ότι όταν υπάρχει επαφή μεταξύ δύο στερεών επιφανειών, προκύπτει η λεγόμενη δύναμη τριβής. Ας εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο τι είναι, εστιάζοντας στο σημείο εφαρμογής της δύναμης τριβής.
Τι είδη δύναμης τριβής υπάρχουν;
Πριν εξετάσουμε το σημείο εφαρμογής της δύναμης τριβής, είναι απαραίτητο να θυμηθούμε εν συντομία ποιοι τύποι τριβής υπάρχουν στη φύση και την τεχνολογία.
Ας αρχίσουμε να εξετάζουμε τη στατική τριβή. Αυτός ο τύπος χαρακτηρίζει την κατάσταση ενός στερεού σώματος σε ηρεμία σε κάποια επιφάνεια. Η τριβή της ηρεμίας εμποδίζει οποιαδήποτε μετατόπιση του σώματος από την κατάσταση ηρεμίας. Για παράδειγμα, λόγω της δράσης αυτής ακριβώς της δύναμης, είναι δύσκολο για εμάς να μετακινήσουμε ένα ντουλάπι που στέκεται στο πάτωμα.
Η τριβή ολίσθησης είναι ένα άλλο είδος τριβής. Εκδηλώνεται στην περίπτωση επαφής δύο επιφανειών που γλιστρούν η μία πάνω στην άλλη. Η τριβή ολίσθησης αντιτίθεται στην κίνηση (η κατεύθυνση της δύναμης τριβής είναι αντίθετη από την ταχύτητα του σώματος). Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα της δράσης του είναι ένας σκιέρ ή σκέιτερ που γλιστράει στον πάγο στο χιόνι.
Τέλος, ο τρίτος τύπος τριβής είναι η κύλιση. Υπάρχει πάντα όταν ένα σώμα κυλά στην επιφάνεια ενός άλλου. Για παράδειγμα, η κύλιση ενός τροχού ή των ρουλεμάν είναι κύρια παραδείγματα όπου η τριβή κύλισης είναι σημαντική.
Οι δύο πρώτοι από τους περιγραφόμενους τύπους προκύπτουν λόγω τραχύτητας στις επιφάνειες τριβής. Ο τρίτος τύπος προκύπτει λόγω της υστέρησης παραμόρφωσης του κυλιόμενου σώματος.
Σημεία εφαρμογής δυνάμεων τριβής ολίσθησης και ηρεμίας
Ειπώθηκε παραπάνω ότι η στατική τριβή εμποδίζει την εξωτερική ενεργό δύναμη, η οποία τείνει να μετακινήσει το αντικείμενο κατά μήκος της επιφάνειας επαφής. Αυτό σημαίνει ότι η κατεύθυνση της δύναμης τριβής είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της εξωτερικής δύναμης παράλληλη προς την επιφάνεια. Το σημείο εφαρμογής της θεωρούμενης δύναμης τριβής είναι στην περιοχή επαφής μεταξύ δύο επιφανειών.
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι η στατική δύναμη τριβής δεν είναι σταθερή τιμή. Έχει μια μέγιστη τιμή, η οποία υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Ft=μtN.
Ωστόσο, αυτή η μέγιστη τιμή εμφανίζεται μόνο όταν το σώμα ξεκινήσει την κίνησή του. Σε κάθε άλλη περίπτωση, η δύναμη στατικής τριβής είναι ακριβώς ίση σε απόλυτη τιμή με την παράλληλη επιφάνεια της εξωτερικής δύναμης.
Όσον αφορά το σημείο εφαρμογής της δύναμης της τριβής ολίσθησης, δεν διαφέρει από αυτό της στατικής τριβής. Μιλώντας για τη διαφορά μεταξύ στατικής και ολισθαίνουσας τριβής, πρέπει να σημειωθεί η απόλυτη σημασία αυτών των δυνάμεων. Έτσι, η δύναμη της τριβής ολίσθησης για ένα δεδομένο ζεύγος υλικών είναι μια σταθερή τιμή. Επιπλέον, είναι πάντα μικρότερη από τη μέγιστη δύναμη της στατικής τριβής.
Όπως μπορείτε να δείτε, το σημείο εφαρμογής των δυνάμεων τριβής δεν συμπίπτει με το κέντρο βάρους του σώματος. Αυτό σημαίνει ότι οι δυνάμεις που εξετάζονται δημιουργούν μια ροπή που τείνει να ανατρέψει το σώμα ολίσθησης προς τα εμπρός. Το τελευταίο μπορεί να παρατηρηθεί όταν ο ποδηλάτης φρενάρει δυνατά με τον μπροστινό τροχό.
Η τριβή κύλισης και το σημείο εφαρμογής της
Δεδομένου ότι η φυσική αιτία της τριβής κύλισης είναι διαφορετική από αυτή για τους τύπους τριβής που αναφέρθηκαν παραπάνω, το σημείο εφαρμογής της δύναμης τριβής κύλισης έχει ελαφρώς διαφορετικό χαρακτήρα.
Υποθέστε ότι ο τροχός του αυτοκινήτου βρίσκεται στο πεζοδρόμιο. Είναι προφανές ότι αυτός ο τροχός είναι παραμορφωμένος. Το εμβαδόν επαφής του με την άσφαλτο είναι ίσο με 2dl, όπου l το πλάτος του τροχού, 2d το μήκος της πλευρικής επαφής τροχού και ασφάλτου. Η δύναμη της τριβής κύλισης, στη φυσική της ουσία, εκδηλώνεται με τη μορφή μιας ροπής αντίδρασης του στηρίγματος που στρέφεται ενάντια στην περιστροφή του τροχού. Αυτή η στιγμή υπολογίζεται ως εξής:
M=Nd
Αν το διαιρέσουμε και το πολλαπλασιάσουμε με την ακτίνα του τροχού R, τότε παίρνουμε:
M=Nd/RR=FtR όπου Ft=Nd/R
Έτσι, η δύναμη τριβής κύλισης Ft είναι στην πραγματικότητα η αντίδραση του στηρίγματος, δημιουργώντας μια στιγμή δύναμης που τείνει να επιβραδύνει την περιστροφή του τροχού.
Το σημείο εφαρμογής αυτής της δύναμης κατευθύνεται κατακόρυφα προς τα πάνω σε σχέση με την επιφάνεια του επιπέδου και μετατοπίζεται προς τα δεξιά από το κέντρο μάζας κατά d (υποθέτοντας ότι ο τροχός κινείται από αριστερά προς τα δεξιά).
Παράδειγμα επίλυσης προβλημάτων
ΔράσηΗ δύναμη τριβής κάθε είδους τείνει να επιβραδύνει τη μηχανική κίνηση των σωμάτων, ενώ μετατρέπει την κινητική τους ενέργεια σε θερμότητα. Ας λύσουμε το ακόλουθο πρόβλημα:
μπάρα γλιστράει σε κεκλιμένη επιφάνεια. Είναι απαραίτητο να υπολογιστεί η επιτάχυνση της κίνησής του εάν είναι γνωστό ότι ο συντελεστής ολίσθησης είναι 0,35 και η γωνία κλίσης της επιφάνειας είναι 35o.
Ας εξετάσουμε ποιες δυνάμεις δρουν στην μπάρα. Πρώτον, το εξάρτημα βαρύτητας κατευθύνεται προς τα κάτω κατά μήκος της επιφάνειας ολίσθησης. Είναι ίσο με:
F=mgsin(α)
Δεύτερον, μια σταθερή δύναμη τριβής δρα προς τα πάνω κατά μήκος του επιπέδου, η οποία στρέφεται ενάντια στο διάνυσμα επιτάχυνσης του σώματος. Μπορεί να προσδιοριστεί από τον τύπο:
Ft=μtN=μtmgcos (α)
Τότε ο νόμος του Νεύτωνα για μια ράβδο που κινείται με επιτάχυνση a θα έχει τη μορφή:
ma=mgsin(α) - μtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - μtgcos(α)
Αντικαθιστώντας τα δεδομένα σε ισότητα, παίρνουμε ότι a=2,81 m/s2. Σημειώστε ότι η επιτάχυνση που βρέθηκε δεν εξαρτάται από τη μάζα της ράβδου.
