Forța de frecare este o mărime fizică care împiedică orice mișcare a corpului. Apare, de regulă, atunci când corpurile se mișcă în materie solidă, lichidă și gazoasă. Diferite tipuri de forțe de frecare joacă un rol important în viața umană, deoarece împiedică creșterea excesivă a vitezei corpurilor.
Clasificarea forțelor de frecare
În cazul general, toate tipurile de forțe de frecare sunt descrise de trei tipuri: forța de frecare de alunecare, de rostogolire și de repaus. Primul este static, celel alte două sunt dinamice. Frecarea în repaus împiedică corpul să înceapă să se miște, la rândul său, la alunecare, frecarea există atunci când corpul se freacă de suprafața altui corp în timpul mișcării acestuia. Frecarea de rulare apare atunci când un obiect rotund se mișcă. Să luăm un exemplu. Un exemplu izbitor de acest tip (forța de frecare de rulare) este mișcarea roților mașinii pe asf alt.
Natura forțelor de frecare este existența unor imperfecțiuni microscopice între suprafețele de frecare a două corpuri. Din acest motiv, forța rezultată care acționează asupraun obiect care se deplasează sau începe să se miște, constă din suma forței reacției normale a suportului N, care este îndreptată perpendicular pe suprafața corpurilor în contact, și a forței de frecare F. Aceasta din urmă este îndreptată paralel cu suprafața de contact și este opusă mișcării corpului.
Fricția dintre două solide
Când s-a luat în considerare problema diferitelor tipuri de forțe de frecare, au fost observate următoarele modele pentru două corpuri solide:
- Forța de frecare este îndreptată paralel cu suprafața de sprijin.
- Coeficientul de frecare depinde de natura suprafețelor de contact, precum și de starea acestora.
- Forța de frecare maximă este direct proporțională cu forța normală sau cu reacția de sprijin care acționează între suprafețele de contact.
- Pentru aceleași corpuri, forța de frecare este mai mare înainte ca corpul să se miște și apoi scade când corpul începe să se miște.
- Coeficientul de frecare nu depinde de zona de contact și practic nu depinde de viteza de alunecare.
Legi
Rezumând materialul experimental despre legile mișcării, am stabilit următoarele legi de bază privind frecarea:
- Rezistența la alunecare între două corpuri este proporțională cu forța normală care acționează între ele.
- Rezistența la mișcarea dintre corpurile de frecare nu depinde de zona de contact dintre acestea.
Pentru a demonstra a doua lege, putem da următorul exemplu: dacă luați un bloc și îl mutați prin alunecare pe suprafață, atunci forța necesară pentru o astfel de mișcareva fi același atunci când blocul se află la suprafață cu latura sa lungă și când stă în picioare cu capătul său.
Legile referitoare la diferitele tipuri de forțe de frecare din fizică au fost descoperite la sfârșitul secolului al XV-lea de către Leonard da Vinci. Apoi au fost uitate multă vreme, iar abia în 1699 au fost redescoperite de inginerul francez Amonton. De atunci, legile frecării îi poartă numele.
De ce este forța de frecare mai mare decât cea de alunecare în repaus?
Când se iau în considerare mai multe tipuri de forțe de frecare (de repaus și de alunecare), trebuie remarcat că forța de frecare statică este întotdeauna mai mică sau egală cu produsul dintre coeficientul de frecare statică și forța de reacție a suportului. Coeficientul de frecare este determinat experimental pentru aceste materiale de frecare și introdus în tabelele corespunzătoare.
Forța dinamică este calculată în același mod ca forța statică. Numai în acest caz, coeficientul de frecare este utilizat special pentru alunecare. Coeficientul de frecare este de obicei notat cu litera greacă Μ (mu). Astfel, formula generală pentru ambele forțe de frecare este: Ftr=ΜN, unde N este forța de reacție a suportului.
Natura diferenței dintre aceste tipuri de forțe de frecare nu a fost stabilită cu precizie. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință cred că forța de frecare statică este mai mare decât cea pentru alunecare, deoarece atunci când corpurile sunt în repaus unul față de celăl alt de ceva timp, între suprafețele lor se pot forma legături ionice sau microfuziuni ale punctelor individuale ale suprafețelor. Acești factori determină o creștere a statieiindicator.
Un exemplu de mai multe tipuri de forță de frecare și manifestarea lor este pistonul din cilindrul unui motor de mașină, care este „lipit” de cilindru dacă motorul nu funcționează mult timp.
Corps de alunecare orizontal
Să obținem ecuația de mișcare pentru un corp care, sub acțiunea unei forțe externe Fin, începe să se miște de-a lungul suprafeței prin alunecare. În acest caz, asupra corpului acţionează următoarele forţe:
- Fv – forță externă;
- Ftr – forța de frecare care este opusă în direcție forței Fv;
- N este forța de reacție a suportului, care este egală în valoare absolută cu greutatea corpului P și este îndreptată spre suprafață, adică în unghi drept față de aceasta.
Luând în considerare direcțiile tuturor forțelor, scriem a doua lege a lui Newton pentru acest caz de mișcare: Fv - Ftr=ma, unde m - masa corporală, a - accelerația mișcării. Știind că Ftr=ΜN, N=P=mg, unde g este accelerația de cădere liberă, obținem: Fv – Μmg=ma. De unde, exprimând accelerația cu care se mișcă corpul de alunecare, obținem: a=F în / m – Μg.
Mișcarea unui corp rigid într-un lichid
Când luăm în considerare ce tipuri de forțe de frecare există, ar trebui menționat un fenomen important în fizică, care este descrierea modului în care un corp solid se mișcă într-un lichid. În acest caz, vorbim de frecare aerodinamică, care este determinată în funcție de viteza corpului în fluid. Există două tipuri de mișcare:
- Cândun corp rigid se mișcă cu viteză mică, se vorbește de mișcare laminară. Forța de frecare în mișcarea laminară este proporțională cu viteza. Un exemplu este legea lui Stokes pentru corpurile sferice.
- Când mișcarea unui corp într-un fluid are loc cu o viteză mai mare decât o anumită valoare de prag, atunci în jurul corpului încep să apară vârtejuri din fluxurile de fluid. Aceste vârtejuri creează o forță suplimentară care împiedică mișcarea și, ca rezultat, forța de frecare este proporțională cu pătratul vitezei.
Natura forței de frecare de rulare
Când vorbim despre tipurile de forțe de frecare, se obișnuiește să se numească forța de frecare de rulare al treilea tip. Se manifestă atunci când un corp se rostogolește pe o anumită suprafață și are loc deformarea acestui corp și a suprafeței în sine. Adică, în cazul unui corp și suprafețe absolut nedeformabile, nu are rost să vorbim despre forța de frecare la rulare. Să aruncăm o privire mai atentă.
Conceptul de coeficient de frecare la rulare este similar cu cel pentru alunecare. Deoarece nu există nicio alunecare între suprafețele corpurilor în timpul rulării, coeficientul de frecare la rulare este mult mai mic decât în cazul alunecării.
Principalul factor care afectează coeficientul este histereza energiei mecanice pentru tipul de forță de frecare de rulare. În special, roata, în funcție de materialul din care este realizată, precum și de sarcina pe care o suportă, este deformată elastic în timpul mișcării. Ciclurile repetitive de deformare elastică duc la transferul unei părți din energia mecanică în energie termică. În plus, datoritădeteriorare, contactul roții și suprafața are deja o zonă de contact finită.
formula forței de frecare de rulare
Dacă aplicăm expresia pentru momentul forței care rotește roata, atunci putem obține că forța de frecare de rulare este Ftr.k.=Μ k N / R, aici N este reacția suportului, R este raza roții, Μк – coeficient de frecare la rulare. Astfel, forța de frecare de rulare este invers proporțională cu raza, ceea ce explică avantajul roților mari față de cele mici.
Proporționalitatea inversă a acestei forțe cu raza roții sugerează că în cazul a două roți cu raze diferite care au aceeași masă și sunt realizate din același material, roata cu raza mai mare este mai ușor de budge.
Raport de rulare
În conformitate cu formula pentru acest tip de forță de frecare, obținem că coeficientul de frecare de rulare Μk are dimensiunea lungimii. Depinde în principal de natura corpurilor de contact. Valoarea, care este determinată de raportul dintre coeficientul de frecare de rulare și rază, se numește coeficient de rulare, adică Ck=Μk / R este o cantitate fără dimensiune.
Coeficientul de rulare Ck este semnificativ mai mic decât coeficientul de frecare de alunecare Μtr. Prin urmare, atunci când răspundem la întrebarea care tip de forță de frecare este cea mai mică, putem numi în siguranță forța de frecare de rulare. Datorită acestui fapt, inventarea roții este considerată un pas important în progresul tehnologic.umanitate.
Rata de rulare este specifică sistemului și depinde de următorii factori:
- duritatea roții și a suprafeței (cu cât deformarea corpurilor care apare în timpul mișcării este mai mică, cu atât coeficientul de rulare este mai mic);
- raza roții;
- greutate care acționează asupra roții;
- suprafața de contact și forma acesteia;
- vâscozitate în zona de contact dintre roată și suprafață;
- temperatura corpului
