Frecarea este un fenomen fizic cu care o persoană se luptă pentru a-l reduce în orice părți rotative și glisante ale mecanismelor, fără de care, însă, mișcarea oricăruia dintre aceste mecanisme este imposibilă. În acest articol, vom lua în considerare, din punct de vedere al fizicii, care este forța de frecare la rulare.
Ce tipuri de forțe de frecare există în natură?
În primul rând, luați în considerare ce loc ocupă frecarea de rulare printre alte forțe de frecare. Aceste forțe apar ca urmare a contactului a două corpuri diferite. Pot fi corpuri solide, lichide sau gazoase. De exemplu, zborul unei aeronave în troposferă este însoțit de prezența frecării între corpul său și moleculele de aer.
Luând în considerare exclusiv corpurile solide, evidențiem forțele de frecare de repaus, alunecare și rostogolire. Fiecare dintre noi a observat: pentru a mișca o cutie pe podea, este necesar să aplicați o anumită forță de-a lungul suprafeței podelei. Valoarea forței care va scoate cutiile din repaus va fi egală în valoare absolută cu forța de frecare în repaus. Acesta din urmă acționează între partea inferioară a cutiei și suprafața podelei.
Cumodată ce cutia și-a început mișcarea, trebuie aplicată o forță constantă pentru a menține această mișcare uniformă. Acest fapt este legat de faptul că între contactul podelei și cutie, forța de frecare de alunecare acționează asupra acesteia din urmă. De regulă, este cu câteva zeci de procente mai mică decât frecarea statică.
Dacă puneți cilindri rotunzi de material dur sub cutie, va deveni mult mai ușor să o mutați. Forța de frecare de rulare va acționa asupra cilindrilor care se rotesc în procesul de mișcare sub cutie. Este de obicei mult mai mic decât cele două forțe anterioare. De aceea, inventarea roții de către omenire a reprezentat un s alt uriaș către progres, deoarece oamenii erau capabili să deplaseze sarcini mult mai mari cu o forță redusă aplicată.
Natura fizică a frecării de rulare
De ce apare frecarea de rulare? Această întrebare nu este ușoară. Pentru a răspunde, ar trebui să luați în considerare în detaliu ce se întâmplă cu roata și cu suprafața în timpul procesului de rulare. În primul rând, nu sunt perfect netede - nici suprafața roții, nici suprafața pe care se rostogolește. Cu toate acestea, aceasta nu este cauza principală a frecării. Motivul principal este deformarea unuia sau a ambelor corpuri.
Orice corpuri, indiferent din ce material solid sunt făcute, sunt deformate. Cu cât greutatea corpului este mai mare, cu atât presiunea pe care o exercită asupra suprafeței este mai mare, ceea ce înseamnă că se deformează în punctul de contact și deformează suprafața. Această deformare în unele cazuri este atât de mică încât nu depășește limita elastică.
Bîn timpul rulării roții, zonele deformate după încetarea contactului cu suprafața își refac forma inițială. Cu toate acestea, aceste deformații se repetă ciclic cu o nouă revoluție a roții. Orice deformare ciclică, chiar dacă se află în limita elastică, este însoțită de histerezis. Cu alte cuvinte, la nivel microscopic, forma corpului înainte și după deformare este diferită. Histereza ciclurilor de deformare în timpul rulării roții duce la „dispersia” energiei, care se manifestă în practică sub forma apariției unei forțe de frecare de rulare.
Perfect Body Rolling
Sub corpul ideal în acest caz ne referim la faptul că este nedeformabil. În cazul unei roți ideale, aria sa de contact cu suprafața este zero (atinge suprafața de-a lungul liniei).
Să caracterizăm forțele care acționează asupra unei roți nedeformabile. În primul rând, acestea sunt două forțe verticale: greutatea corpului P și forța de reacție a suportului N. Ambele forțe trec prin centrul de masă (axa roții), prin urmare nu participă la crearea cuplului. Pentru ei, puteți scrie:
P=N
În al doilea rând, acestea sunt două forțe orizontale: o forță externă F care împinge roata înainte (trece prin centrul de masă) și o forță de frecare de rulare fr. Acesta din urmă creează un cuplu M. Pentru ei, puteți scrie următoarele egalități:
M=frr;
F=fr
Aici r este raza roții. Aceste egalități conțin o concluzie foarte importantă. Dacă forța de frecare fr este infinit de mică, atunciva crea în continuare un cuplu care va determina mișcarea roții. Deoarece forța externă F este egală cu fr, atunci orice valoare infinit mică a lui F va face roata să se rotească. Aceasta înseamnă că, dacă corpul de rulare este ideal și nu suferă deformare în timpul mișcării, atunci nu este nevoie să vorbim despre nicio forță de frecare de rulare.
Toate corpurile existente sunt reale, adică suferă deformare.
Rulare cu trupul real
Acum luați în considerare situația descrisă mai sus doar pentru cazul corpurilor reale (deformabile). Zona de contact dintre roată și suprafață nu va mai fi zero, va avea o valoare finită.
Să analizăm forțele. Să începem cu acțiunea forțelor verticale, adică greutatea și reacția suportului. Sunt încă egali unul cu celăl alt, adică:
N=P
Cu toate acestea, forța N acționează acum vertical în sus, nu prin axul roții, dar este ușor deplasată de la aceasta cu o distanță d. Dacă ne imaginăm aria de contact a roții cu suprafața ca aria unui dreptunghi, atunci lungimea acestui dreptunghi va fi grosimea roții, iar lățimea va fi egală cu 2d.
Acum să trecem la luarea în considerare a forțelor orizontale. Forța externă F tot nu creează un cuplu și este egală cu forța de frecare fr în valoare absolută, adică:
F=fr.
Momentul forțelor care conduc la rotație va crea frecare frși reacția suportului N. Mai mult, aceste momente vor fi direcționate în direcții diferite. Expresia corespunzătoare estetip:
M=Nd - frr
În cazul mișcării uniforme, momentul M va fi egal cu zero, deci obținem:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Ultima egalitate, ținând cont de formulele scrise mai sus, poate fi rescrisă astfel:
F=d/rP
De fapt, avem formula principală pentru înțelegerea forței de frecare de rulare. Mai departe în articol îl vom analiza.
Coeficient de rezistență la rulare
Acest coeficient a fost deja introdus mai sus. S-a dat și o explicație geometrică. Vorbim despre valoarea lui d. Evident, cu cât această valoare este mai mare, cu atât este mai mare momentul creează forța de reacție a suportului, care împiedică mișcarea roții.
Coeficientul de rezistență la rulare d, în contrast cu coeficienții de frecare statică și de alunecare, este o valoare dimensională. Se măsoară în unități de lungime. În tabele, este de obicei dat în milimetri. De exemplu, pentru roțile de tren care rulează pe șine de oțel, d=0,5 mm. Valoarea lui d depinde de duritatea celor două materiale, de sarcina pe roată, de temperatură și de alți factori.
Coeficient de frecare la rulare
Nu îl confundați cu coeficientul anterior d. Coeficientul de frecare la rulare este notat cu simbolul Cr și se calculează folosind următoarea formulă:
Cr=d/r
Această egalitate înseamnă că Cr este fără dimensiune. Ea este cea care este dată într-un număr de tabele care conțin informații despre tipul de frecare considerat. Acest coeficient este convenabil de utilizat pentru calcule practice,deoarece nu implică cunoașterea razei roții.
Valoarea lui Cr în majoritatea cazurilor este mai mică decât coeficienții de frecare și repaus. De exemplu, pentru anvelopele de mașină care se deplasează pe asf alt, valoarea lui Cr este de câteva sutimi (0,01 - 0,06). Cu toate acestea, crește semnificativ atunci când rulați cauciucuri pe iarbă și nisip (≈0,4).
Analiza formulei rezultate pentru forța fr
Să scriem din nou formula de mai sus pentru forța de frecare de rulare:
F=d/rP=fr
Din egalitate rezultă că, cu cât diametrul roții este mai mare, cu atât trebuie aplicată mai puțină forță F pentru ca aceasta să se miște. Acum scriem această egalitate prin coeficientul Cr, avem:
fr=CrP
După cum puteți vedea, forța de frecare este direct proporțională cu greutatea corpului. În plus, cu o creștere semnificativă a ponderii P, coeficientul Cr însuși se modifică (crește datorită creșterii lui d). În cele mai multe cazuri practice, Cr se află în câteva sutimi. La rândul său, valoarea coeficientului de frecare de alunecare se află în câteva zecimi. Deoarece formulele pentru forțele de frecare de rulare și de alunecare sunt aceleași, rularea se dovedește a fi benefică din punct de vedere energetic (forța fr este cu un ordin de mărime mai mic decât forța de alunecare în cele mai practice situații).
Stare de rulare
Mulți dintre noi s-au confruntat cu problema alunecării roților mașinii atunci când conducem pe gheață sau noroi. De ce astase întâmplă? Cheia pentru a răspunde la această întrebare constă în raportul dintre valorile absolute ale forțelor de frecare de rulare și de repaus. Să scriem din nou formula de rulare:
F ≧ CrP
Când forța F este mai mare sau egală cu frecarea de rulare, atunci roata va începe să ruleze. Totuși, dacă această forță depășește mai devreme valoarea frecării statice, atunci roata va aluneca mai devreme decât rularea ei.
Astfel, efectul de alunecare este determinat de raportul dintre coeficienții de frecare statică și frecarea de rulare.
Moduri de a contracara alunecarea roților mașinii
Frecarea de rulare a unei roți de mașină pe o suprafață alunecoasă (de exemplu, pe gheață) este caracterizată de coeficientul Cr=0,01-0,06. Cu toate acestea, valorile de aceeași ordine este tipică pentru coeficientul de frecare statică.
Pentru a evita riscul alunecării roților, se folosesc anvelope speciale „de iarnă”, în care sunt înșurubate țepi metalici. Acesta din urmă, izbindu-se de suprafața gheții, crește coeficientul de frecare statică.
O altă modalitate de a crește frecarea statică este modificarea suprafeței pe care se mișcă roata. De exemplu, stropindu-l cu nisip sau sare.
