Триенето е навсякъде около нас в реалния свят. Когато две повърхности си взаимодействат или се притискат по някакъв начин, някаква механична енергия се преобразува в други форми, намалявайки колко енергия остава за движение.
Докато гладките повърхности са склонни да изпитват по-малко триене, отколкото грапавите повърхности, само във вакуум, където това няма значение, там го няма истинска среда без триене, въпреки че учебниците по физика в гимназията често се позовават на такива ситуации за опростяване изчисления.
Триенето обикновено възпрепятства движението. Помислете за влак, който се търкаля по релса, или блок, плъзгащ се по пода. В свят без триене тези обекти ще продължат движението си за неопределено време. Триенето ги кара да се забавят и в крайна сметка да спрат при липса на други приложени сили.
Сателитите в космоса са в състояние да поддържат своите орбити с малко добавена енергия поради почти идеалния вакуум на космоса. Сателитите с по-ниска орбита обаче често срещат сили на триене под формата на въздушно съпротивление и изискват периодично рестартиране, за да поддържат курса.
Определение за триене
На микроскопично ниво триенето възниква, когато молекулите на една повърхност взаимодействат с молекули от друга повърхност, когато тези повърхности са в контакт и се натискат една срещу друга. Това води до съпротива, когато единият такъв обект се опитва да се движи, като същевременно поддържа контакт с другия обект. Ние наричаме това съпротивление силата на триене. Подобно на другите сили, това е векторно количество, измерено в нютони.
Тъй като силата на триене е резултат от взаимодействието на два обекта, определяйки посоката, върху която ще действа даден обект - и следователно посоката да го нарисувате на диаграма на свободното тяло - изисква да се разбере това взаимодействие. Третият закон на Нютон ни казва, че ако обект А прилага сила върху обект Б, тогава обект Б прилага сила, равна по големина, но в обратна посока обратно върху обект А.
Така че, ако обект А се бута срещу обект Б в същата посока, в която се движи обект А, силата на триене ще действа противоположно на посоката на движение на обект А. (Това обикновено е случаят с триене при плъзгане, обсъдено в следващия раздел.) Ако, от друга страна, обект А натиска върху обекта B в посока, обратна на неговата посока на движение, тогава силата на триене в крайна сметка ще бъде в същата посока като движението на обект A. (Това често се случва със статичното триене, също обсъдено в следващия раздел.)
Големината на силата на триене често е право пропорционална на нормалната сила или силата, притискаща двете повърхности една към друга. Константата на пропорционалност варира в зависимост от повърхностите, които са в контакт. Например, може да очаквате по-малко триене, когато две „хлъзгави“ повърхности - като леден блок върху замръзнало езеро - са в контакт и по-голямо триене, когато две „груби“ повърхности са в контакт.
Силата на триене обикновено не зависи от зоната на контакт между предметите и относителната скорости на двете повърхности (с изключение на въздушното съпротивление, което не е разгледано в това статия.)
Видове триене
Има два основни типа триене: кинетично триене и статично триене. Може да сте чували и за нещо, наречено триене при търкаляне, но както е обсъдено по-нататък в този раздел, това наистина е различно явление.
Кинетична сила на триене, известен също като триене при плъзгане, е съпротивление поради повърхностни взаимодействия, докато един обект се плъзга по друг, например когато кутия се бута по пода. Кинетичното триене действа противоположно на посоката на движение. Това е така, защото плъзгащият се предмет се притиска към повърхността в същата посока, в която се плъзга, така че повърхността прилага сила на триене обратно върху обекта в обратна посока.
Статично триенее сила на триене между две повърхности, които се бутат една срещу друга, но не се плъзгат една спрямо друга. В случай на бутане на кутия по пода, преди кутията да започне да се плъзга, човекът трябва да натисне срещу нея с нарастваща сила, като в крайна сметка натиска достатъчно силно, за да я задвижи. Докато силата на натискане се увеличава от 0, статичната сила на триене също се увеличава, противопоставяйки се на бутаща сила, докато човекът приложи достатъчно голяма сила, за да преодолее максималното статично триене сила. В този момент кутията започва да се плъзга и кинетичното триене поема.
Статичните сили на триене обаче също позволяват някои видове движения. Помислете какво се случва, когато преминете през пода. Докато правите крачка, натискате с крак назад на пода, а подът от своя страна ви тласка напред. Това е статично триене между крака и пода, което прави това и в този случай силата на статично триене в крайна сметка е в посока на вашето движение. Без статично триене, когато натискате назад към пода, кракът ви просто се плъзга и вие ще ходите на място!
Съпротивление при търкалянепонякога се нарича триене при търкаляне, въпреки че това е погрешно наименование, тъй като е загуба на енергия поради деформация на повърхностите в контакт като предмет се търкалят, за разлика от резултата от повърхности, опитващи се да се плъзгат срещу всяка други. Подобно е на загубената енергия, когато топката отскочи. Съпротивлението при търкаляне обикновено е много малко в сравнение със статичното и кинетичното триене. Всъщност рядко се разглежда изобщо в повечето текстове по физика в колежи и гимназии.
Съпротивлението при търкаляне не трябва да се бърка със статичните и кинетичните ефекти на триене върху търкалящия се обект. Гума, например, може да изпитва триене на плъзгане по оста при завъртане, а също така изпитва статично триене, което запазва гумата да не се плъзга при търкаляне (статичното триене в този случай, точно както при ходещия човек, в крайна сметка действа в посока на движение.)
Уравнение на триенето
Както бе споменато по-рано, големината на силата на триене е пряко пропорционална на големината на нормалната сила, а константата на пропорционалност зависи от въпросните повърхности. Спомнете си, че нормалната сила е силата, перпендикулярна на повърхността, която противодейства на всички други сили, приложени в тази посока.
Константата на пропорционалността е безразмерна величина, нареченакоефициент на триене, който варира в зависимост от грапавостта на въпросните повърхности и обикновено се представя от гръцката букваμ.
F_f = \ mu F_N
Съвети
Това уравнение се отнася само до величината на триенето и нормалните сили. Те не сочат в една и съща посока!
Имайте предвид, че μ не е еднакво при статично и кинетично триене. Коефициентът често включва индекс, сμкпо отношение на коефициента на кинетично триене иμсотнасящ се до коефициента на статично триене. Стойностите на тези коефициенти за различни материали могат да бъдат разгледани в референтна таблица. Коефициентите на триене за някои често срещани повърхности са изброени в следващата таблица.
| Система | Статично триене (μs) | Кинетично триене (μk) |
|---|---|---|
Каучук върху сух бетон |
1 |
0.7 |
Каучук върху мокър бетон |
0.7 |
0.5 |
Дърво върху дърво |
0.5 |
0.3 |
Восъчно дърво върху мокър сняг |
0.14 |
0.1 |
Метал върху дърво |
0.5 |
0.3 |
Стомана върху стомана (суха) |
0.6 |
0.3 |
Стомана върху стомана (смазана) |
0.05 |
0.03 |
Тефлон върху стомана |
0.04 |
0.04 |
Кост, смазана от синовиална течност |
0.016 |
0.015 |
Обувки на дърво |
0.9 |
0.7 |
Обувки на лед |
0.1 |
0.05 |
Лед върху лед |
0.1 |
0.03 |
Стомана върху лед |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
Стойностите на μ за съпротивлението при търкаляне често са по-малки от 0,01 и значително, следователно можете да видите, че в сравнение съпротивлението при търкаляне често е незначително.
Когато се работи със статично триене, формулата на силата често се записва, както следва:
F_f \ leq \ mu_s F_N
С неравенството, представляващо факта, че силата на статично триене никога не може да бъде по-голяма от силите, които се противопоставят. Например, ако се опитвате да натиснете стол през пода, преди столът да започне да се плъзга, ще действа статично триене. Но стойността му ще варира. Ако приложите 0,5 N на стола, тогава столът ще изпитва 0,5 N статично триене, за да противодейства на това. Ако натиснете с 1.0 N, тогава статичното триене става 1.0 N и така нататък, докато не натиснете с повече от максималната стойност на статичната сила на триене и столът започне да се плъзга.
Примери за триене
Пример 1:Каква сила трябва да се приложи върху метален блок от 50 кг, за да се избута през дървен под с постоянна скорост?
Решение:Първо, чертаем диаграмата на свободното тяло, за да идентифицираме всички сили, действащи върху блока. Имаме силата на гравитацията, действаща право надолу, нормалната сила, действаща нагоре, бутащата сила, действаща вдясно, и силата на триене, действаща вляво. Тъй като блокът е предназначен да се движи с постоянна скорост, знаем, че всички сили трябва да се добавят към 0.
Уравненията на нетната сила за тази настройка са както следва:
F_ {netx} = F_ {push} - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g = 0
От второто уравнение получаваме, че:
F_N = F_g = mg = 50 \ по 9,8 = 490 \ текст {N}
Използвайки този резултат в първото уравнение и решавайки неизвестната сила на натиска, получаваме:
F_ {push} = F_f = \ mu_kF_N = 0,3 \ пъти 490 = 147 \ текст {N}
Пример 2:Какъв е максималният ъгъл на наклон, който една рампа може да има, преди 10-килограмова кутия, която лежи върху нея, да започне да се плъзга? С какво ускорение ще се плъзне под този ъгъл? Да приемемμсе 0,3 иμке 0,2.
Решение:Отново започваме с диаграма на свободното тяло. Гравитационната сила действа право надолу, нормалната сила действа перпендикулярно на наклона и силата на триене действа нагоре по рампата.
•••Дана Чен | Наука
За първата част на задачата знаем, че нетната сила трябва да бъде 0 и максималната сила на статично триенеμсFн.
Изберете координатна система, подравнена с рампата, така че надолу по рампата да е положителната ос x. След това разбийте всяка сила нах-иу-компоненти и напишете уравненията на чистата сила:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
След това заменетеμсFн за триене и решаване заFнвъв второто уравнение:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0 \ предполага F_N = F_g \ cos (\ theta)
Включете формулата заFнв първото уравнение и да се реши заθ:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_g \ cos (\ theta) = 0 \\ \ предполага F_g \ sin (\ theta) = \ mu_sF_g \ cos (\ theta) \\ \ предполага \ frac {\ sin (\ theta)} {\ cos (\ theta)} = \ mu_s \\ \ предполага \ tan (\ theta) = \ mu_s \\ \ предполага \ theta = \ tan ^ {- 1} (\ mu_s)
Включване на стойност 0,3 заμс дава резултатθ= 16,7 градуса.
Втората част на въпроса сега използва кинетичното триене. Нашата диаграма на свободното тяло е по същество същата. Единствената разлика е, че вече знаем ъгъла на наклона и нетната сила не е 0 вхпосока. Така нашите уравнения за нетна сила стават:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = ma \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
Можем да решим за нормалната сила във второто уравнение, точно както преди, и да го включим в първото уравнение. Правейки това и след това решавайки заадава:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_kF_g \ cos (\ theta) = ma \\ = \ отмяна {m} g \ sin (\ theta) - \ mu_k \ отмяна {m} g \ cos (\ theta) = \ отмяна {m} a \\ \ предполага a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta)
Сега е просто да включите числата. Крайният резултат е:
a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta) = 9,8 \ sin (16,7) - 0,2 \ по 9,8 \ cos (16,7) = 0,94 \ текст {m / s} ^ 2