Fiecare dintre noi este familiarizat cu manifestarea forței de frecare. Într-adevăr, orice mișcare în viața de zi cu zi, indiferent dacă este mersul pe jos a unei persoane sau deplasarea unui vehicul, este imposibilă fără participarea acestei forțe. În fizică, se obișnuiește să se studieze trei tipuri de forțe de frecare. În acest articol, vom lua în considerare unul dintre ele, ne vom da seama ce este frecarea statică.
Bar pe o suprafață orizontală
Înainte de a continua să răspundem la întrebări, care este forța de frecare statică și cu ce este ea egală, să luăm în considerare un caz simplu cu o bară care se află pe o suprafață orizontală.
Să analizăm ce forțe acționează asupra barei. Prima este greutatea articolului în sine. Să o notăm cu litera P. Este îndreptată vertical în jos. În al doilea rând, aceasta este reacția suportului N. Acesta este îndreptat vertical în sus. A doua lege a lui Newton pentru cazul în discuție va fi scrisă în următoarea formă:
ma=P - N.
Semnul minus aici reflectă direcțiile opuse ale vectorilor de reacție greutate și suport. Deoarece blocul este în repaus, valoarea lui a este zero. Acesta din urmă înseamnă că:
P - N=0=>
P=N.
Reacția suportului echilibrează greutatea corpului și este egală cu aceasta în valoare absolută.
Forța externă care acționează asupra unei bare pe o suprafață orizontală
Acum să mai adăugăm o forță de acțiune la situația descrisă mai sus. Să presupunem că o persoană începe să împingă un bloc de-a lungul unei suprafețe orizontale. Să notăm această forță cu litera F. Se poate observa o situație uimitoare: dacă forța F este mică, atunci, în ciuda acțiunii sale, bara continuă să se sprijine pe suprafață. Greutatea corpului și reacția suportului sunt direcționate perpendicular pe suprafață, astfel încât proiecțiile lor orizontale sunt egale cu zero. Cu alte cuvinte, forțele P și N nu se pot opune în niciun fel lui F. În acest caz, de ce bara rămâne în repaus și nu se mișcă?
În mod evident, trebuie să existe o forță care este îndreptată împotriva forței F. Această forță este frecarea statică. Este îndreptată spre F de-a lungul unei suprafețe orizontale. Acționează în zona de contact dintre marginea inferioară a barei și suprafață. Să-l notăm cu simbolul Ft. Legea lui Newton pentru proiecția orizontală va fi scrisă ca:
F=Ft.
Astfel, modulul forței de frecare statică este întotdeauna egal cu valoarea absolută a forțelor externe care acționează de-a lungul suprafeței orizontale.
Începutul mișcării barei
Pentru a scrie formula pentru frecare statică, să continuăm experimentul început în paragrafele anterioare ale articolului. Vom crește valoarea absolută a forței externe F. Bara va rămâne încă în repaus pentru un timp, dar va veni un moment când începe să se miște. În acest moment, forța de frecare statică va atinge valoarea maximă.
Pentru a găsi această valoare maximă, luați o altă bară exact aceeași cu prima și puneți-o deasupra. Zona de contact a barei cu suprafața nu s-a schimbat, dar greutatea acesteia s-a dublat. S-a constatat experimental că s-a dublat și forța F de desprindere a barei de suprafață. Acest fapt a făcut posibilă scrierea următoarei formule pentru frecare statică:
Ft=µsP.
Adică valoarea maximă a forței de frecare se dovedește a fi proporțională cu greutatea corpului P, unde parametrul µs acționează ca un coeficient de proporționalitate. Valoarea µs se numește coeficient de frecare static.
Deoarece greutatea corpului din experiment este egală cu forța de reacție a suportului N, formula pentru Ft poate fi rescrisă după cum urmează:
Ft=µsN.
Spre deosebire de cea anterioară, această expresie poate fi întotdeauna folosită, chiar și atunci când corpul se află pe un plan înclinat. Modulul forței de frecare statică este direct proporțional cu forța de reacție a suportului cu care suprafața acționează asupra corpului.
Cauze fizice ale forței Ft
Întrebarea de ce apare frecarea statică este complexă și necesită luarea în considerare a contactului dintre corpuri la nivel microscopic și atomic.
În general, există două cauze fizice ale forțeiFt:
- Interacțiune mecanică între vârfuri și jgheaburi.
- Interacțiunea fizico-chimică dintre atomi și moleculele corpurilor.
Oricât de netedă este orice suprafață, are nereguli și neomogenități. În general, aceste neomogenități pot fi reprezentate ca vârfuri și jgheaburi microscopice. Când vârful unui corp cade în cavitatea altui corp, între aceste corpuri are loc cuplarea mecanică. Un număr mare de cuplaje microscopice este unul dintre motivele apariției frecării statice.
Al doilea motiv este interacțiunea fizică și chimică dintre moleculele sau atomii care alcătuiesc corpul. Se știe că atunci când doi atomi neutri se apropie unul de celăl alt, pot avea loc unele interacțiuni electrochimice între ei, de exemplu, interacțiuni dipol-dipol sau interacțiuni van der Waals. În momentul începerii mișcării, bara este forțată să depășească aceste interacțiuni pentru a se rupe de la suprafață.
Caracteristici ale puterii Ft
S-a notat deja mai sus cu ce este egală forța maximă de frecare statică și, de asemenea, este indicată direcția acesteia de acțiune. Aici listăm alte caracteristici ale cantității Ft.
Fricarea de repaus nu depinde de zona de contact. Este determinată numai de reacția suportului. Cu cât aria de contact este mai mare, cu atât este mai mică deformarea vârfurilor și jgheaburilor microscopice, dar cu atât numărul lor este mai mare. Acest fapt intuitiv explică de ce maximul Ftt nu se va schimba dacă bara este răsturnată la margine cu cea mai micăzonă.
Fricarea de repaus și frecarea de alunecare sunt de aceeași natură, descrise prin aceleași formule, dar a doua este întotdeauna mai mică decât prima. Frecarea de alunecare are loc atunci când blocul începe să se miște de-a lungul suprafeței.
Force Ft este o cantitate necunoscută în majoritatea cazurilor. Formula dată mai sus pentru aceasta corespunde valorii maxime a lui Ft în momentul în care bara începe să se miște. Pentru a înțelege mai clar acest fapt, mai jos este un grafic al dependenței forței Ft de influența externă F.
Se poate observa că odată cu creșterea F, frecarea statică crește liniar, atinge un maxim și apoi scade atunci când corpul începe să se miște. În timpul mișcării, nu se mai poate vorbi despre forța Ft, deoarece este înlocuită cu frecarea de alunecare.
În sfârșit, ultima caracteristică importantă a puterii Ft este că nu depinde de viteza de mișcare (la viteze relativ mari, Ftscade).
Coeficient de frecare µs
Deoarece µs apare în formula pentru modulul de frecare, ar trebui spuse câteva cuvinte despre acesta.
Coeficientul de frecare µs este o caracteristică unică a celor două suprafețe. Nu depinde de greutatea corporală, se determină experimental. De exemplu, pentru o pereche copac-arbore, aceasta variază de la 0,25 la 0,5 în funcție de tipul de arbore și de calitatea tratamentului de suprafață al corpurilor de frecare. Pentru suprafete din lemn cerat pezăpadă umedă µs=0,14, iar pentru articulațiile umane acest coeficient ia valori foarte mici (≈0,01).
Indiferent de valoarea lui µs pentru perechea de materiale luate în considerare, un coeficient similar de frecare de alunecare µk va fi întotdeauna mai mici. De exemplu, la alunecarea unui copac pe un copac, acesta este egal cu 0,2, iar pentru articulațiile umane nu depășește 0,003.
În continuare, vom lua în considerare soluția a două probleme fizice în care putem aplica cunoștințele dobândite.
Bar pe o suprafață înclinată: calculul forței Ft
Prima sarcină este destul de simplă. Să presupunem că un bloc de lemn se află pe o suprafață de lemn. Masa sa este de 1,5 kg. Suprafața este înclinată la un unghi de 15o față de orizont. Este necesar să se determine forța de frecare statică dacă se știe că bara nu se mișcă.
Problema cu această problemă este că mulți oameni încep prin a calcula reacția suportului și apoi folosind datele de referință pentru coeficientul de frecare µs, folosiți cele de mai sus formula pentru a determina valoarea maximă a F t. Cu toate acestea, în acest caz, Ft nu este valoarea maximă. Modulul său este egal doar cu forța externă, care tinde să miște bara de la locul său în jos în plan. Această forță este:
F=mgsin(α).
Atunci forța de frecare Ft va fi egală cu F. Înlocuind datele în egalitate, obținem răspunsul: forța de frecare statică pe un plan înclinat F t=3,81 newtoni.
Bar pe o suprafață înclinată: calculunghi maxim de înclinare
Acum să rezolvăm următoarea problemă: un bloc de lemn se află pe un plan înclinat de lemn. Presupunând coeficientul de frecare egal cu 0,4, este necesar să se găsească unghiul maxim de înclinare α al planului față de orizont, la care bara va începe să alunece.
Alunecarea va începe când proiecția greutății corporale pe plan devine egală cu forța de frecare statică maximă. Să scriem condiția corespunzătoare:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Înlocuind valoarea µs=0, 4 în ultima ecuație, obținem α=21, 8o.
