Într-o secțiune specială de fizică - dinamică, atunci când studiază mișcarea corpurilor, ei iau în considerare forțele care acționează asupra sistemului în mișcare. Acesta din urmă poate efectua atât lucrări pozitive, cât și negative. Luați în considerare în acest articol care este munca forței de frecare și cum este calculată.
Conceptul de muncă în fizică
În fizică, conceptul de „muncă” este diferit de ideea obișnuită a acestui cuvânt. Munca este înțeleasă ca mărime fizică, care este egală cu produsul scalar dintre vectorul forță și vectorul deplasare al corpului. Să presupunem că există un obiect asupra căruia acționează forța F¯. Deoarece nu acționează alte forțe asupra acestuia, vectorul său de deplasare l¯ va coincide în direcția cu vectorul F¯. Produsul scalar al acestor vectori în acest caz va corespunde cu produsul modulelor lor, adică:
A=(F¯l¯)=Fl.
Valoarea A este munca efectuată de forța F¯ pentru a deplasa obiectul pe o distanță l. Luând în considerare dimensiunile valorilor F și l, constatăm că munca este măsurată în newtoni pe metru (Nm) în sistemul SI. Cu toate acestea, unitateaNm are propriul nume - este un joule. Aceasta înseamnă că conceptul de muncă este același cu conceptul de energie. Cu alte cuvinte, dacă o forță de 1 newton mișcă un corp cu 1 metru, atunci costurile de energie corespunzătoare sunt de 1 joule.
Care este forța de frecare?
Studiarea problemei muncii forței de frecare este posibilă dacă știi despre ce fel de forță vorbim. Frecarea în fizică este un proces care împiedică orice mișcare a unui corp pe suprafața altuia atunci când aceste suprafețe sunt aduse în contact.
Dacă luăm în considerare numai corpurile solide, atunci există trei tipuri de frecare pentru ele:
- odihnă;
- derapant;
- rulant.
Aceste forțe acționează între suprafețele de contact și sunt întotdeauna îndreptate împotriva mișcării corpurilor.
Fricarea de repaus împiedică mișcarea în sine, frecarea de alunecare se manifestă în procesul de mișcare, când suprafețele corpurilor alunecă una peste alta, iar frecarea de rulare există între corpul care se rostogolește pe suprafață și suprafața însăși.
Un exemplu de acțiune a frecării statice este o mașină care se află pe frâna de mână pe o pantă. Frecarea de alunecare se manifestă atunci când un schior se mișcă pe zăpadă sau un patinator se mișcă pe gheață. În cele din urmă, frecarea de rulare acționează în timp ce roata mașinii se mișcă de-a lungul drumului.
Forțele pentru toate cele trei tipuri de frecare sunt calculate folosind următoarea formulă:
Ft=µtN.
Aici N este forța de reacție a suportului, µt este coeficientul de frecare. Forța Narată magnitudinea impactului suportului asupra corpului perpendicular pe planul suprafeţei. În ceea ce privește parametrul µt, acesta este măsurat experimental pentru fiecare pereche de materiale de frecare, de exemplu, lemn-lemn, oțel-zăpadă și așa mai departe. Rezultatele măsurate sunt colectate în tabele speciale.
Pentru fiecare forță de frecare, coeficientul µt are propria sa valoare pentru perechea de materiale selectată. Astfel, coeficientul de frecare statică este mai mare decât cel pentru frecarea de alunecare cu câteva zeci de procente. La rândul său, coeficientul de rulare este cu 1-2 ordine de mărime mai mic decât cel pentru alunecare.
Munca forțelor de frecare
Acum, după ce v-ați familiarizat cu conceptele de muncă și cu tipurile de frecare, puteți trece direct la subiectul articolului. Să luăm în considerare în ordine toate tipurile de forțe de frecare și să ne dăm seama ce lucru fac acestea.
Să începem cu frecarea statică. Acest tip se manifestă atunci când corpul nu se mișcă. Deoarece nu există mișcare, vectorul său de deplasare l¯ este egal cu zero. Aceasta din urmă înseamnă că munca forței de frecare statică este, de asemenea, egală cu zero.
Fricțiunea de alunecare, prin definiție, acționează numai atunci când corpul se mișcă în spațiu. Deoarece forța acestui tip de frecare este întotdeauna îndreptată împotriva mișcării corpului, înseamnă că face o muncă negativă. Valoarea lui A poate fi calculată folosind formula:
A=-Ftl=-µtNl.
Lucrarea forței de frecare de alunecare are ca scop încetinirea mișcării corpului. Ca rezultat al acestui lucru, energia mecanică a corpului este transformată în căldură.
Frecarea de rulare, precum alunecarea, implică și mișcarea corpului. Forța de frecare de rulare efectuează un lucru negativ, încetinind rotația inițială a corpului. Deoarece vorbim despre rotația corpului, este convenabil să se calculeze valoarea muncii acestei forțe prin munca impulsului său. Formula corespunzătoare este scrisă ca:
A=-Mθ unde M=FtR.
Aici θ este unghiul de rotație al corpului ca rezultat al rotației, R este distanța de la suprafață la axa de rotație (raza roții).
Problemă cu forța de frecare de alunecare
Se știe că un bloc de lemn se află pe marginea unui plan de lemn înclinat. Planul este înclinat față de orizont la un unghi de 40o. Știind că coeficientul de frecare de alunecare este de 0,4, lungimea planului este de 1 metru, iar masa barei corespunde la 0,5 kg, este necesar să se găsească lucrul de frecare de alunecare.
Calculați forța de frecare de alunecare. Este egal cu:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Atunci lucrarea corespunzătoare A va fi:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Problemă de frecare la rulare
Se știe că roata s-a rostogolit de-a lungul drumului pe o anumită distanță și s-a oprit. Diametrul roții este de 45 cm. Numărul de rotații ale roții înainte de oprire este de 100. Ținând cont de coeficientul de rulare egal cu 0,03, este necesar să se afle cu ce este egală lucrul forței de frecare de rulare. Masa roții este de 5 kg.
În primul rând, să calculăm momentul de frecare de rulare:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Dacă numărul de rotații făcute de roată este înmulțit cu 2pi radiani, atunci obținem unghiul de rotație al roții θ. Atunci formula pentru muncă este:
A=-Mθ=-M2pin.
Unde n este numărul de rotații. Înlocuind momentul M și numărul n din condiție, obținem lucrul necesar: A=- 207,87 J.
