Friktion: Definition, koefficient, ligning (med diagrammer og eksempler)

Friktion er overalt omkring os i den virkelige verden. Når to overflader interagerer eller skubber mod hinanden på en eller anden måde, konverteres en del mekanisk energi til andre former, hvilket reducerer, hvor meget energi der er tilbage til bevægelse.

Mens glatte overflader har tendens til at opleve mindre friktion end ru overflader, er der kun i et vakuum, hvor dette ikke er noget et ægte friktionsfrit miljø, selvom gymnasiefagbøger i fysik ofte henviser til sådanne situationer for at forenkle beregninger.

Friktion hæmmer generelt bevægelse. Overvej et tog, der ruller ned ad et spor eller en blok, der glider over gulvet. I en friktionsfri verden ville disse objekter fortsætte deres bevægelse på ubestemt tid. Friktion får dem til at bremse og til sidst stoppe i fravær af andre anvendte kræfter.

Satellitter ude i rummet er i stand til at opretholde deres baner med lidt ekstra energi på grund af det næsten perfekte vakuum i rummet. Satellitter med lavere kredsløb møder imidlertid ofte friktionskræfter i form af luftmodstand og kræver periodisk genoptagelse for at opretholde kursen.

På det mikroskopiske niveau opstår friktion, når molekyler på en overflade interagerer med molekyler fra en anden overflade, når disse overflader er i kontakt og skubber mod hinanden. Dette resulterer i modstand, når et sådant objekt forsøger at bevæge sig, mens det opretholder kontakt med det andet objekt. Vi kalder denne modstand friktionskraften. Ligesom andre kræfter er det en vektormængde målt i newton.

Da friktionskraften skyldes samspillet mellem to objekter, bestemmer den retning, den vil virke på et givent objekt - og dermed retningen til at tegne det på et fritlegemsdiagram - kræver forståelse for det interaktion. Newtons tredje lov fortæller os, at hvis objekt A anvender en kraft på objekt B, så anvender objekt B en kraft, der er lig med størrelsen, men i modsat retning tilbage på objekt A.

Så hvis objekt A skubber mod objekt B i samme retning som objekt A bevæger sig, virker friktionskraften modsat retningen af ​​objekt A's bevægelse. (Dette er typisk tilfældet med glidende friktion, der diskuteres i det næste afsnit.) Hvis objekt A på den anden side skubber på objektet B i en retning modsat sin bevægelsesretning, så ender friktionskraften i samme retning som objekt A's bevægelse. (Dette er ofte tilfældet med statisk friktion, også diskuteret i næste afsnit.)

Friktionskraftens størrelse er ofte direkte proportional med den normale kraft eller den kraft, der presser de to overflader mod hinanden. Proportionalitetskonstanten varierer afhængigt af de overflader, der er i kontakt. For eksempel kan du forvente mindre friktion, når to "glatte" overflader - såsom en isblok på en frossen sø - er i kontakt, og større friktion, når to "ru" overflader er i kontakt.

Friktionskraften er generelt uafhængig af kontaktområdet mellem objekterne og den relative hastighederne på de to overflader (undtagen i tilfælde af luftmodstand, som ikke behandles i dette artikel.)

Der er to hovedtyper af friktion: kinetisk friktion og statisk friktion. Du har måske også hørt om noget, der kaldes rullende friktion, men som diskuteret senere i dette afsnit er dette virkelig et andet fænomen.

​Kinetisk friktionskraft, også kendt som glidende friktion, er modstand på grund af overfladeinteraktioner, mens et objekt glider mod et andet, såsom når en kasse skubbes over gulvet. Kinetisk friktion virker modsat bevægelsesretningen. Dette skyldes, at det glidende objekt skubber mod overfladen i samme retning som det glider, så overfladen anvender en friktionskraft tilbage på objektet i den modsatte retning.

​Statisk friktioner en friktionskraft mellem to overflader, der skubber mod hinanden, men ikke glider i forhold til hinanden. I tilfælde af at en kasse skubbes langs gulvet, før kassen begynder at glide, skal personen skubbe mod den med stigende kraft og til sidst skubbe hårdt nok til at få den i gang. Mens skubbekraften stiger fra 0, øges den statiske friktionskraft også modsat skubbe kraft, indtil personen anvender en kraft, der er stor nok til at overvinde den maksimale statiske friktion kraft. På det tidspunkt begynder kassen at glide, og kinetisk friktion overtager.

Statiske friktionskræfter tillader dog også visse typer bevægelse. Overvej hvad der sker, når du går over gulvet. Når du tager et skridt, skubber du baglæns på gulvet med din fod, og gulvet skubber dig igen fremad. Det er statisk friktion mellem din fod og gulvet, der får dette til at ske, og i dette tilfælde ender den statiske friktionskraft i retning af din bevægelse. Uden statisk friktion, når du skubber bagud mod gulvet, ville din fod bare glide, og du ville gå på plads!

​Rullemodstandkaldes undertiden rullende friktion, selvom det er en misvisende betegnelse, da det er energitab på grund af deformation af overfladerne i kontakt, når et objekt ruller, i modsætning til et resultat af overflader, der prøver at glide mod hver Andet. Det svarer til den tabte energi, når en bold springer. Rullemodstand er generelt meget lille sammenlignet med statisk og kinetisk friktion. Faktisk er det sjældent behandlet i de fleste fysiske tekster på college og gymnasium.

Rullemodstand bør ikke forveksles med statiske og kinetiske friktionseffekter på en rullende genstand. Et dæk kan for eksempel opleve glidende friktion på akslen, når det drejer, og det oplever også statisk friktion, som holder dækket glider, når det ruller (den statiske friktion i dette tilfælde, som med den gående person, ender med at virke i retning af bevægelse.)

Som tidligere nævnt er størrelsen af ​​friktionskraften direkte proportional med størrelsen af ​​den normale kraft, og proportionalitetskonstanten afhænger af de pågældende overflader. Husk at den normale kraft er den kraft, der er vinkelret på overfladen, hvilket modvirker alle andre kræfter, der påføres i den retning.

Proportionalitetskonstanten er en enhedsløs størrelse kaldetfriktionskoefficient, som varierer med ruheden af ​​de pågældende overflader og typisk er repræsenteret af det græske bogstavμ​.

• Denne ligning vedrører kun størrelsen af ​​friktionen og normale kræfter. De peger ikke i samme retning!

Bemærk, at μ ikke er det samme for statisk og kinetisk friktion. Koefficienten inkluderer ofte et abonnement medμ_kder henviser til koefficienten for kinetisk friktion ogμ_smed henvisning til koefficienten for statisk friktion. Værdierne af disse koefficienter for forskellige materialer kan slås op i en referencetabel. Friktionskoefficienter for nogle almindelige overflader er angivet i den følgende tabel.

https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction

Værdierne på μ for rullemodstand er ofte mindre end 0,01, og det er betydeligt, derfor kan du se, at rullemodstand ofte er ubetydelig i sammenligning.

Når man arbejder med statisk friktion, skrives kraftformlen ofte som følger:

Med uligheden repræsenterer det faktum, at den statiske friktionskraft aldrig kan være større end de kræfter, der er imod den. For eksempel, hvis du forsøger at skubbe en stol over gulvet, før stolen begynder at glide, vil statisk friktion virke. Men dens værdi vil variere. Hvis du anvender 0,5 N på stolen, vil stolen opleve 0,5 N statisk friktion for at modvirke det. Hvis du skubber med 1,0 N, bliver den statiske friktion 1,0 N, og så videre, indtil du skubber med mere end den maksimale værdi af den statiske friktionskraft, og stolen begynder at glide.

​Eksempel 1:Hvilken kraft skal påføres en blok på 50 kg for at skubbe den hen over et trægulv med konstant hastighed?

​Opløsning:Først tegner vi fritlegemsdiagrammet for at identificere alle kræfter, der virker på blokken. Vi har tyngdekraften, der virker lige ned, den normale kraft, der virker op, skubbekraften, der virker til højre, og friktionskraften, der virker til venstre. Da blokken er beregnet til at bevæge sig med en konstant hastighed, ved vi, at alle kræfter skal føjes til 0.

Nettokraftligningerne for denne opsætning er som følger:

Fra den anden ligning får vi det:

Ved at bruge dette resultat i den første ligning og løse den ukendte skubbe kraft får vi:

​Eksempel 2:Hvad er den maksimale hældningsvinkel, som en rampe kan have, før en kasse på 10 kg, der hviler på den, begynder at glide? Med hvilken acceleration glider den i denne vinkel? Antageμ_ser 0,3 ogμ_ker 0,2.

​Opløsning:Igen begynder vi med et frit kropsdiagram. Gravitationskraften virker lige ned, den normale kraft virker vinkelret på hældningen, og friktionskraften virker op ad rampen.

•••Dana Chen | Videnskabelig

I den første del af problemet ved vi, at nettokraften skal være 0, og at den maksimale statiske friktionskraft erμ_sF_N​.

Vælg et koordinatsystem, der er justeret med rampen, således at ned ad rampen er den positive x-akse. Del derefter hver kraft op ix-ogy-komponenter, og skriv nettokraftligningerne:

Næste, erstatningμ_sF​_​N​ for friktion og løse forF_Ni den anden ligning:

Tilslut formlen tilF_Nind i den første ligning og løse forθ​:

Tilslutning af værdien 0,3 forμ​_​s​ giver resultatetθ= 16,7 grader.

Den anden del af spørgsmålet bruger nu kinetisk friktion. Vores fritlegemsdiagram er stort set det samme. Den eneste forskel er, at vi nu kender hældningsvinklen, og nettokraften er ikke 0 ixretning. Så vores nettokraftligninger bliver:

Vi kan løse den normale kraft i den anden ligning, ligesom før, og sætte den i den første ligning. Gør det og derefter løser for-engiver:

Nu er det et simpelt spørgsmål om at tilslutte tal. Det endelige resultat er: