Glijdende wrijving, beter bekend als kinetische wrijving, is een kracht die de glijdende beweging van twee oppervlakken die langs elkaar bewegen tegenwerkt. Statische wrijving daarentegen is een soort wrijvingskracht tussen twee oppervlakken die tegen elkaar duwen, maar niet schuiven ten opzichte van elkaar. (Stel je voor dat je op een stoel duwt voordat deze over de vloer begint te schuiven. De kracht die u uitoefent voordat het glijden begint, wordt tegengewerkt door statische wrijving.)
Glijdende wrijving brengt doorgaans minder weerstand met zich mee dan statische wrijving, daarom moet u vaak harder duwen om een object te laten glijden dan om het te laten glijden. De grootte van de wrijvingskracht is recht evenredig met de grootte van de normaalkracht. Bedenk dat de normaalkracht de kracht is die loodrecht op het oppervlak staat en alle andere krachten die in die richting worden uitgeoefend, tegengaat.
De evenredigheidsconstante is een eenheidsloze grootheid die de wrijvingscoëfficiënt wordt genoemd en varieert afhankelijk van de oppervlakken die in contact komen. (Waarden voor deze coëfficiënt worden meestal opgezocht in tabellen.) De wrijvingscoëfficiënt wordt meestal weergegeven met de Griekse letter
μmet een onderschriftkwijst op kinetische wrijving. De formule voor wrijvingskracht wordt gegeven door:F_f=\mu_kF_N
WaarFneeis de grootte van de normaalkracht, de eenheden zijn in newton (N) en de richting van deze kracht is tegengesteld aan de bewegingsrichting.
Definitie van rollende wrijving
Rolweerstand wordt soms rolwrijving genoemd, hoewel het niet echt een wrijvingskracht is omdat het niet het resultaat is van twee oppervlakken die met elkaar in contact staan en die tegen elkaar proberen te duwen. Het is een weerstandskracht die het gevolg is van energieverlies als gevolg van vervormingen van het rollende object en het oppervlak.
Net als bij wrijvingskrachten is de grootte van de rolweerstandskracht echter recht evenredig tot de grootte van de normaalkracht, met een evenredigheidsconstante die afhangt van de oppervlakken in contact. Terwijlμrwordt soms gebruikt voor de coëfficiënt, het is gebruikelijker om te zienCrr, waardoor de vergelijking voor de grootte van de rolweerstand als volgt wordt:
F_r=C_{rr}F_N
Deze kracht werkt tegen de bewegingsrichting in.
Voorbeelden van glijdende wrijving en rolweerstand
Laten we eens kijken naar een frictievoorbeeld met een dynamische kar uit een typisch natuurkundelokaal en vergelijken de versnelling waarmee het een metalen baan aflegt onder een hoek van 20 graden voor drie verschillende scenario's:
Scenario 1:Er zijn geen wrijvings- of weerstandskrachten die op de kar werken, aangezien deze vrij rolt zonder van de baan te glijden.
Eerst tekenen we het vrijlichaamsdiagram. De zwaartekracht die recht naar beneden wijst en de normaalkracht die loodrecht op het oppervlak wijst, zijn de enige krachten die werken.
De nettokrachtvergelijkingen zijn:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
We kunnen meteen de eerste vergelijking voor versnelling oplossen en waarden invullen om het antwoord te krijgen:
F_g\sin{\theta}=ma\\ \implies mg\sin(\theta)=ma\\ \implies a=g\sin(\theta)=9.8\sin (20)=\boxed{3.35\text{ m/s}^2}
Scenario 2:De rolweerstand werkt op de kar terwijl deze vrij rolt zonder van de baan te glijden.
Hier gaan we uit van een rolweerstandscoëfficiënt van 0,0065, gebaseerd op een voorbeeld gevonden in a papier van de U.S. Naval Academy.
Nu bevat ons vrijlichaamsdiagram rolweerstand die op de baan werkt. Onze nettokrachtvergelijkingen worden:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_r=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Uit de tweede vergelijking kunnen we oplossen voorFnee, vul het resultaat in de uitdrukking voor wrijving in de eerste vergelijking en los op vooreen:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\implies F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-C_{rr}F_N=F_g\sin(\theta)-C_{rr} F_g\cos(\theta)=ma\\ \implies \annuleren mg\sin(\theta)-C_{rr}\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \implies a=g(\sin(\theta)-C_{rr}\cos(\theta) )=9.8(\sin (20)-0.0065\cos (20))\\ =\boxed{3.29 \tekst{ m/s}^2}
Scenario 3:De wielen van de kar zijn op hun plaats vergrendeld en glijdt over de baan, gehinderd door kinetische wrijving.
Hier zullen we een kinetische wrijvingscoëfficiënt van 0,2 gebruiken, wat in het midden ligt van het waardenbereik dat doorgaans wordt vermeld voor plastic op metaal.
Ons vrijlichaamsdiagram lijkt erg op het geval van rolweerstand, behalve dat het een glijdende wrijvingskracht is die op de oprit werkt. Onze nettokrachtvergelijkingen worden:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_k=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
En opnieuw lossen we op vooreenop een vergelijkbare manier:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\implies F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-\mu_kF_N=F_g\sin(\theta)-\mu_kF_g\cos(\theta )=ma\\ \implies \annuleren mg\sin(\theta)-\mu_k\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \implies a=g(\sin(\theta)-\mu_k\cos(\theta))=9.8( \sin (20)-0.2\cos (20))\\ =\boxed{1.51 \tekst{ m/s}^2}
Merk op dat de versnelling met rolweerstand heel dicht bij het wrijvingsloze geval ligt, terwijl het glijdende wrijvingsgeval aanzienlijk anders is. Dit is de reden waarom rolweerstand in de meeste situaties wordt verwaarloosd en waarom het wiel een briljante uitvinding was!