Η στατική τριβή είναι μια δύναμη που πρέπει να είναικαταβάλλωγια κάτι να ξεκινήσει. Για παράδειγμα, κάποιος μπορεί να σπρώξει ένα σταθερό αντικείμενο σαν έναν βαρύ καναπέ χωρίς να κινείται. Όμως, εάν πιέσουν πιο δυνατά ή ζητούν τη βοήθεια ενός ισχυρού φίλου, θα ξεπεράσει τη δύναμη τριβής και θα κινηθεί.
Ενώ ο καναπές είναι ακόμα, τοη δύναμη της στατικής τριβής εξισορροπεί την εφαρμοζόμενη δύναμη της ώθησης. Ως εκ τούτου,η δύναμη της στατικής τριβής αυξάνεται γραμμικά με την εφαρμοζόμενη δύναμη να λειτουργεί στην αντίθετη κατεύθυνση, έως ότου φτάσει στη μέγιστη τιμή και το αντικείμενο μόλις αρχίσει να κινείται. Μετά από αυτό, το αντικείμενο δεν υφίσταται πλέον αντίσταση από στατική τριβή, αλλά από κινητική τριβή.
Η στατική τριβή είναι συνήθως μεγαλύτερη δύναμη τριβής από την κινητική τριβή - είναι πιο δύσκολο να αρχίσετε να πιέζετε έναν καναπέ κατά μήκος του δαπέδου παρά να το συνεχίζετε.
Συντελεστής στατικής τριβής
Η στατική τριβή προκύπτει από μοριακές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του αντικειμένου και της επιφάνειας στην οποία βρίσκεται. Έτσι, διαφορετικές επιφάνειες παρέχουν διαφορετικές ποσότητες στατικής τριβής.
Ο συντελεστής τριβής που περιγράφει αυτήν τη διαφορά στατικής τριβής για διαφορετικές επιφάνειες είναιμμικρό.Μπορεί να βρεθεί σε έναν πίνακα, όπως αυτός που συνδέεται με αυτό το άρθρο ή να υπολογιστεί πειραματικά.
Εξίσωση για στατική τριβή
Οπου:
- φάμικρό= δύναμη στατικής τριβής σε Newton (N)
- μμικρό = συντελεστής στατικής τριβής (χωρίς μονάδες)
- φάΝ = κανονική δύναμη μεταξύ των επιφανειών σε Newton (N)
Η μέγιστη στατική τριβή επιτυγχάνεται όταν η ανισότητα γίνεται ισότητα, οπότε μια διαφορετική δύναμη τριβής αναλαμβάνει καθώς το αντικείμενο αρχίζει να κινείται. (Η δύναμη της κινητικής ή ολισθαίνουσας τριβής, έχει διαφορετικό συντελεστή που σχετίζεται με αυτό που ονομάζεται συντελεστής κινητικής τριβής και δηλώνεταιμκ .)
Παράδειγμα υπολογισμού με στατική τριβή
Ένα παιδί προσπαθεί να σπρώξει ένα καουτσούκ 10 κιλών οριζόντια κατά μήκος ενός λαστιχένιου δαπέδου. Ο συντελεστής στατικής τριβής είναι 1,16. Ποια είναι η μέγιστη δύναμη που μπορεί να χρησιμοποιήσει το παιδίχωρίςτο κουτί κινείται καθόλου;
[εισαγάγετε ένα διάγραμμα ελεύθερου σώματος που δείχνει τις εφαρμοζόμενες, τριβές, βαρυτικές και κανονικές δυνάμεις στο ακίνητο κουτί]
Αρχικά, σημειώστε ότι η καθαρή δύναμη είναι 0 και βρείτε την κανονική δύναμη της επιφάνειας στο κουτί. Δεδομένου ότι το κουτί δεν κινείται, αυτή η δύναμη πρέπει να είναι ίση σε μέγεθος με τη βαρυτική δύναμη που ενεργεί στην αντίθετη κατεύθυνση. Θυμηθείτε ότιφάσολ = mgόπουφάσολείναι η δύναμη της βαρύτητας,Μείναι η μάζα του αντικειμένου καισολείναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας στη Γη.
Ετσι:
F_N = F_g = 10 \ φορές 9,8 = 98 \ κείμενο {N}
Στη συνέχεια, λύστε το Fμικρό με την παραπάνω εξίσωση:
F_s = \ mu_s \ φορές F_N = 1.16 \ φορές 98 = 113.68 \ κείμενο {N}
Αυτή είναι η μέγιστη δύναμη στατικής τριβής που θα αντισταθεί στην κίνηση του κουτιού. Επομένως, είναι επίσης η μέγιστη δύναμη που μπορεί να ασκήσει το παιδί χωρίς να κινείται το κουτί.
Σημειώστε ότι, αρκεί το παιδί να ασκεί οποιαδήποτε δύναμημικρότερη από τη μέγιστη τιμή της στατικής τριβής, το κουτί δεν θα κινηθεί ακόμα!
Στατική τριβή σε κεκλιμένα επίπεδα
Η στατική τριβή δεν αντιτίθεται μόνο στις εφαρμοσμένες δυνάμεις. Κρατά τα αντικείμενα από ολίσθηση κάτω λόφους ή άλλες κεκλιμένες επιφάνειες, αντιστέκοντας το τράβηγμα της βαρύτητας.
Σε γωνία, ισχύει η ίδια εξίσωση, αλλά απαιτείται τριγωνομετρία για την επίλυση των διανυσμάτων δύναμης στα οριζόντια και κάθετα συστατικά τους.
Σκεφτείτε ένα βιβλίο 2 κιλών που ακουμπά σε κεκλιμένο επίπεδο στους 20 βαθμούς. Για να παραμείνει το βιβλίο ακίνητο, τοδυνάμεις παράλληλες προς το κεκλιμένο επίπεδο πρέπει να είναι ισορροπημένες. Όπως δείχνει το διάγραμμα, η δύναμη της στατικής τριβής είναι παράλληλη με το επίπεδο προς τα πάνω. η αντίθετη προς τα κάτω δύναμη είναι από τη βαρύτητα - σε αυτήν την περίπτωση όμως,μόνο το οριζόντιο στοιχείο της βαρυτικής δύναμηςεξισορροπεί τη στατική τριβή.
Σχεδιάζοντας ένα δεξί τρίγωνο από τη δύναμη της βαρύτητας για να επιλύσουμε τα συστατικά του και κάνοντας ένα λίγη γεωμετρία για να διαπιστωθεί ότι η γωνία σε αυτό το τρίγωνο είναι ίση με τη γωνία κλίσης του επιπέδου, οοριζόντια συνιστώσα της βαρυτικής δύναμης(το στοιχείο παράλληλο προς το επίπεδο) είναι τότε:
F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ φορές 9,8 \ φορές \ sin {20} = 6,7 \ κείμενο {N}
Αυτό πρέπει να είναι ίσο με τη δύναμη της στατικής τριβής που κρατά το βιβλίο στη θέση του.
Μια άλλη τιμή που μπορεί να βρεθεί σε αυτήν την ανάλυση είναι ο συντελεστής στατικής τριβής. Η κανονική δύναμη είναικάθετοςστην επιφάνεια στην οποία στηρίζεται το βιβλίο. Αυτή η δύναμη πρέπει να είναιισορροπημένο με το κάθετο στοιχείοτης δύναμης της βαρύτητας:
F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ φορές 9,8 \ φορές \ cos {20} = 18,4 \ κείμενο {N}
Στη συνέχεια, αναδιάταξη της εξίσωσης για στατική τριβή:
\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6.7} {18.4} = 0.364