Friksjon: definisjon, koeffisient, ligning (m / diagrammer og eksempler)

Friksjon er rundt oss i den virkelige verden. Når to overflater samhandler eller skyver mot hverandre på en eller annen måte, konverteres noe mekanisk energi til andre former, noe som reduserer hvor mye energi som er igjen for bevegelse.

Mens glatte overflater har en tendens til å oppleve mindre friksjon enn grove overflater, er det bare i et vakuum der dette ikke er noe et ekte friksjonsfritt miljø, selv om fysiske lærebøker på videregående skole ofte refererer til slike situasjoner for å forenkle beregninger.

Friksjon hindrer generelt bevegelse. Tenk på et tog som ruller nedover et spor, eller en blokk som glir over gulvet. I en friksjonsfri verden ville disse objektene fortsette bevegelsen på ubestemt tid. Friksjon får dem til å bremse og til slutt stoppe i fravær av andre anvendte krefter.

Satellitter ute i rommet er i stand til å opprettholde banene sine med lite ekstra energi på grunn av det nesten perfekte vakuumet i rommet. Satellitter med lavere bane møter imidlertid ofte friksjonskrefter i form av luftmotstand og krever periodisk omstart for å opprettholde kursen.

På det mikroskopiske nivået oppstår friksjon når molekyler på en overflate samhandler med molekyler fra en annen overflate når disse overflatene er i kontakt og skyver mot hverandre. Dette resulterer i motstand når et slikt objekt prøver å bevege seg mens det opprettholder kontakt med det andre objektet. Vi kaller denne motstanden for friksjonskraften. Som andre krefter er det en vektormengde målt i newton.

Siden friksjonskraften skyldes samspillet mellom to objekter, bestemmer retningen den vil virke på et gitt objekt - og dermed retningen for å tegne det på et frikroppsdiagram - krever forståelse av det interaksjon. Newtons tredje lov forteller oss at hvis objekt A bruker en kraft på objekt B, så bruker objekt B en kraft som er lik i størrelse, men i motsatt retning tilbake på objekt A.

Så hvis objekt A skyver mot objekt B i samme retning som objekt A beveger seg, vil friksjonskraften virke motsatt retning av objekt A's bevegelse. (Dette er vanligvis tilfelle med glidefriksjon, diskutert i neste avsnitt.) Hvis objekt A derimot skyver på objektet B i en retning motsatt sin bevegelsesretning, da vil friksjonskraften ende i samme retning som objekt A's bevegelse. (Dette er ofte tilfelle med statisk friksjon, også diskutert i neste avsnitt.)

Størrelsen på friksjonskraften er ofte direkte proporsjonal med den normale kraften, eller kraften som presser de to flatene mot hverandre. Proportionalitetskonstanten varierer avhengig av overflatene som er i kontakt. For eksempel kan du forvente mindre friksjon når to "glatte" overflater - for eksempel en isblokk på en frossen innsjø - er i kontakt, og større friksjon når to "grove" overflater er i kontakt.

Friksjonskraften er generelt uavhengig av kontaktområdet mellom gjenstandene og den pårørende hastigheter på de to flatene (unntatt i tilfelle luftmotstand, som ikke er omtalt i dette artikkel.)

Det er to hovedtyper av friksjon: kinetisk friksjon og statisk friksjon. Du har kanskje også hørt om noe som kalles rullende friksjon, men som diskutert senere i denne delen er dette virkelig et annet fenomen.

​Kinetisk friksjonskraft, også kjent som glidefriksjon, er motstand på grunn av overflatevirkninger mens en gjenstand glir mot en annen, for eksempel når en boks skyves over gulvet. Kinetisk friksjon virker motsatt bevegelsesretningen. Dette er fordi skyveobjektet skyver mot overflaten i samme retning som det glir, slik at overflaten påfører en friksjonskraft tilbake på objektet i motsatt retning.

​Statisk friksjoner en friksjonskraft mellom to flater som skyver mot hverandre, men ikke glir i forhold til hverandre. I tilfelle en boks skyves langs gulvet, før boksen begynner å gli, må personen skyve mot den med økende kraft og til slutt presse hardt nok til å få den til å gå. Mens skyvekraften øker fra 0, øker den statiske friksjonskraften også, motsatt skyvekraft til personen bruker en stor nok kraft til å overvinne maksimal statisk friksjon makt. På det tidspunktet begynner boksen å gli, og kinetisk friksjon tar over.

Statiske friksjonskrefter tillater imidlertid også visse typer bevegelse. Tenk på hva som skjer når du går over gulvet. Når du tar et skritt, skyver du bakover på gulvet med foten, og gulvet skyver deg i sin tur fremover. Det er statisk friksjon mellom foten og gulvet som får dette til å skje, og i dette tilfellet ender den statiske friksjonskraften i retning av bevegelsen din. Uten statisk friksjon, når du skyver bakover mot gulvet, ville foten bare gli, og du vil gå på plass!

​Rullemotstandkalles noen ganger rullende friksjon, selv om det er en feilbetegnelse, da det er energitap på grunn av deformasjon av overflatene i kontakt når et objekt ruller, i motsetning til et resultat av overflater som prøver å gli mot hver annen. Det ligner på energien som går tapt når en ball spretter. Rullemotstand er generelt veldig liten sammenlignet med statisk og kinetisk friksjon. Faktisk er det sjelden adressert i det hele tatt i de fleste fysikktekster på høyskolen og videregående.

Rullemotstand bør ikke forveksles med statiske og kinetiske friksjonseffekter på et rullende objekt. Et dekk kan for eksempel oppleve glidende friksjon på akselen når det snur, og det opplever også statisk friksjon, som holder dekk fra å gli når det ruller (den statiske friksjonen i dette tilfellet, som med den gående personen, ender opp med å virke i retning av bevegelse.)

Som nevnt tidligere er størrelsen på friksjonskraften direkte proporsjonal med størrelsen på den normale kraften, og proporsjonalitetskonstanten avhenger av de aktuelle flatene. Husk at den normale kraften er kraften vinkelrett på overflaten, som motvirker andre krefter som påføres i den retningen.

Konstanten av proporsjonalitet er en enhetsløs mengde kaltfriksjonskoeffisient, som varierer med ruheten til de aktuelle overflatene, og vanligvis er representert med den greske bokstavenμ​.

• Denne ligningen relaterer bare størrelsen på friksjonen og normale krefter. De peker ikke i samme retning!

Merk at μ ikke er det samme for statisk og kinetisk friksjon. Koeffisienten inkluderer ofte et abonnement, medμ_kmed henvisning til koeffisienten for kinetisk friksjon ogμ_smed henvisning til koeffisienten for statisk friksjon. Verdiene til disse koeffisientene for forskjellige materialer kan slås opp i en referansetabell. Friksjonskoeffisienter for noen vanlige overflater er oppført i tabellen nedenfor.

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

Verdiene på μ for rullemotstand er ofte mindre enn 0,01, og det er betydelig, derfor kan du se at rullemotstand ofte er ubetydelig i sammenligning.

Når du arbeider med statisk friksjon, skrives kraftformelen ofte slik:

Med ulikheten som representerer det faktum at kraften til statisk friksjon aldri kan være større enn kreftene som motarbeider den. For eksempel, hvis du prøver å skyve en stol over gulvet, før stolen begynner å gli, vil statisk friksjon virke. Men verdien vil variere. Hvis du bruker 0,5 N på stolen, vil stolen oppleve 0,5 N statisk friksjon for å motvirke det. Hvis du skyver med 1,0 N, blir den statiske friksjonen 1,0 N, og så videre til du skyver med mer enn den maksimale verdien av den statiske friksjonskraften og stolen begynner å gli.

​Eksempel 1:Hvilken kraft må påføres en 50 kg metallblokk for å skyve den over tregulvet med konstant hastighet?

​Løsning:Først tegner vi frikroppsdiagrammet for å identifisere alle krefter som virker på blokken. Vi har tyngdekraften som virker rett ned, den normale kraften som virker opp, skyvekraften som virker mot høyre, og friksjonskraften som virker mot venstre. Siden blokken er ment å bevege seg med konstant hastighet, vet vi at alle krefter må legge til 0.

Nettokraftligningene for denne oppsettet er som følger:

Fra den andre ligningen får vi det:

Ved å bruke dette resultatet i den første ligningen og løse den ukjente skyvekraften, får vi:

​Eksempel 2:Hva er den maksimale stigningsvinkelen en rampe kan ha før en boks på 10 kg som hviler på den begynner å gli? Med hvilken akselerasjon vil den gli i denne vinkelen? Antaμ_ser 0,3 ogμ_ker 0,2.

​Løsning:Igjen begynner vi med et frikroppsdiagram. Gravitasjonskraften virker rett ned, den normale kraften virker vinkelrett på skråningen og friksjonskraften virker oppover rampen.

•••Dana Chen | Vitenskap

For den første delen av problemet vet vi at nettokraften må være 0 og maksimal statisk friksjonskraft erμ_sF_N​.

Velg et koordinatsystem justert med rampen slik at nedover rampen er den positive x-aksen. Bryt deretter hver kraft opp ix-ogy-komponenter, og skriv nettokraftligningene:

Deretter erstatterμ_sF​_​N​ for friksjon og løse forF_Ni den andre ligningen:

Plugg formelen forF_Ninn i den første ligningen og løse forθ​:

Koble inn verdien 0,3 forμ​_​s​ gir resultatetθ= 16,7 grader.

Den andre delen av spørsmålet bruker nå kinetisk friksjon. Vårt kroppsdiagram er i det vesentlige det samme. Den eneste forskjellen er at vi nå kjenner skråvinkelen, og nettokraften er ikke 0 ixretning. Så netto kraftligningene våre blir:

Vi kan løse for den normale kraften i den andre ligningen, akkurat som før, og koble den til den første ligningen. Gjør det og deretter løser forengir:

Nå er det enkelt å koble til tall. Det endelige resultatet er: