Orice contact între două corpuri are ca rezultat o forță de frecare. În acest caz, nu contează în ce stare agregată a materiei se află corpurile, dacă se mișcă unul față de celăl alt sau sunt în repaus. În acest articol, vom analiza pe scurt ce tipuri de frecare există în natură și tehnologie.
Frecare de repaus
Pentru mulți, poate fi o idee ciudată că frecarea corpurilor există chiar și atunci când sunt în repaus unul față de celăl alt. În plus, această forță de frecare este cea mai mare forță dintre celel alte tipuri. Se manifestă atunci când încercăm să mișcăm orice obiect. Poate fi un bloc de lemn, o piatră sau chiar o roată.
Motivul existenței forței de frecare statică este prezența neregulilor pe suprafețele de contact, care interacționează mecanic între ele conform principiului peak-through.
Forța de frecare statică este calculată folosind următoarea formulă:
Ft1=µtN
Aici N este reacția suportului cu care suprafața acționează asupra corpului de-a lungul normalului. Parametrul µt este coeficientul de frecare. Depinde dematerialul suprafețelor de contact, calitatea prelucrării acestor suprafețe, temperatura acestora și alți factori.
Formula scrisă arată că forța de frecare statică nu depinde de zona de contact. Expresia pentru Ft1 vă permite să calculați așa-numita forță maximă. Într-un număr de cazuri practice, Ft1 nu este maxim. Este întotdeauna egală ca mărime cu forța externă care încearcă să scoată corpul din repaus.
Fricarea în repaus joacă un rol important în viață. Datorită acestui lucru, ne putem deplasa pe pământ, împingându-ne cu tălpile picioarelor, fără să alunecăm. Orice corp care se află pe planuri înclinate spre orizont nu alunecă de pe ele din cauza forței Ft1.
Fricțiune în timpul alunecării
Un alt tip important de frecare pentru o persoană se manifestă atunci când un corp alunecă peste suprafața altuia. Această frecare apare din același motiv fizic ca și frecarea statică. În plus, puterea lui este calculată folosind o formulă similară.
Ft2=µkN
Singura diferență cu formula anterioară este utilizarea diferiților coeficienți pentru frecarea de alunecare µk. Coeficienții µk sunt întotdeauna mai mici decât parametrii similari pentru frecare statică pentru aceeași pereche de suprafețe de frecare. În practică, acest fapt se manifestă astfel: o creștere treptată a forței exterioare duce la creșterea valorii lui Ft1 până la atingerea valorii sale maxime. După aceea eascade brusc cu câteva zeci de procente până la valoarea Ft2 și se menține constant în timpul mișcării corpului.
Coeficientul µk depinde de aceiași factori ca și parametrul µt pentru frecare statică. Forța frecării de alunecare Ft2 practic nu depinde de viteza de mișcare a corpurilor. Numai la viteze mari devine vizibilă scăderea.
Importanța frecării de alunecare pentru viața umană poate fi văzută în exemple precum schiul sau patinajul. În aceste cazuri, coeficientul µk este redus prin modificarea suprafețelor de frecare. Dimpotrivă, stropirea drumurilor cu sare și nisip are ca scop creșterea valorilor coeficienților µk și µt.
Frecare de rulare
Acesta este unul dintre tipurile importante de frecare pentru funcționarea tehnologiei moderne. Este prezent în timpul rotației rulmenților și mișcării roților vehiculelor. Spre deosebire de frecarea de alunecare și de repaus, frecarea de rulare se datorează deformării roții în timpul mișcării. Această deformare, care are loc în regiunea elastică, disipează energia ca urmare a histerezii, manifestându-se ca o forță de frecare în timpul mișcării.
Calculul forței maxime de frecare de rulare se efectuează conform formulei:
Ft3=d/RN
Adică, forța Ft3, așa cum forțele Ft1 și Ft2, este direct proportional cu reactia suportului. Depinde însă și de duritatea materialelor în contact și de raza roții R. Valoaread se numește coeficient de rezistență la rulare. Spre deosebire de coeficienții µk și µt, d are dimensiunea lungimii.
De regulă, raportul adimensional d/R se dovedește a fi cu 1-2 ordine de mărime mai mic decât valoarea µk. Aceasta înseamnă că mișcarea corpurilor cu ajutorul rulării este mult mai favorabilă din punct de vedere energetic decât cu ajutorul alunecării. De aceea, frecarea de rulare este utilizată pe toate suprafețele de frecare ale mecanismelor și mașinilor.
Unghi de frecare
Toate cele trei tipuri de manifestări de frecare descrise mai sus sunt caracterizate de o anumită forță de frecare Ft, care este direct proporțională cu N. Ambele forțe sunt direcționate în unghi drept una față de alta. Unghiul pe care îl formează suma vectorială a acestora cu normala la suprafață se numește unghi de frecare. Pentru a-i înțelege importanța, să folosim această definiție și să o scriem în formă matematică, obținem:
Ft=kN;
tg(θ)=Ft/N=k
Astfel, tangenta unghiului de frecare θ este egală cu coeficientul de frecare k pentru un anumit tip de forță. Aceasta înseamnă că cu cât unghiul θ este mai mare, cu atât forța de frecare în sine este mai mare.
Fricția în lichide și gaze
Când un corp solid se mișcă într-un mediu gazos sau lichid, se ciocnește constant cu particulele acestui mediu. Aceste ciocniri, însoțite de o pierdere a vitezei corpului rigid, sunt cauza frecării în substanțele fluide.
Acest tip de frecare depinde foarte mult de viteza. Deci, la viteze relativ mici, forța de frecarese dovedește a fi direct proporțională cu viteza de mișcare v, în timp ce la viteze mari vorbim de proporționalitate v2.
Există multe exemple ale acestei frecări, de la mișcarea ambarcațiunilor și a navelor până la zborul aeronavelor.
