Większość obiektów nie jest tak gładka, jak myślisz. Na poziomie mikroskopijnym nawet pozornie gładkie powierzchnie są tak naprawdę krajobrazem maleńkich pagórków i dolin, zbyt małych naprawdę zobaczyć, ale robi ogromną różnicę, jeśli chodzi o obliczanie względnego ruchu między dwoma kontaktami powierzchnie.
Te drobne niedoskonałości powierzchni zazębiają się, powodując powstanie siły tarcia, która działa w kierunek przeciwny do jakiegokolwiek ruchu i musi być obliczona w celu określenia siły wypadkowej działającej na obiekt.
Istnieje kilka różnych rodzajów tarcia, aletarcie kinetycznejest inaczej znany jakotarcie ślizgowe, podczastarcie statycznewpływa na obiektprzedzaczyna się ruszać itarcie tocznew szczególności dotyczy toczących się obiektów, takich jak koła.
Dowiedz się, co oznacza tarcie kinetyczne, jak znaleźć odpowiedni współczynnik tarcia i jak Obliczenie powie Ci wszystko, co musisz wiedzieć, aby rozwiązać problemy fizyki związane z siłą tarcie.
Definicja tarcia kinetycznego
Najprostszą definicją tarcia kinetycznego jest: opór ruchu spowodowany kontaktem powierzchni z poruszającym się po niej obiektem. Siła tarcia kinetycznego działa na
sprzeciwiać sięruch obiektu, więc jeśli pchasz coś do przodu, tarcie popycha to do tyłu.Siła fikcji kinetycznej dotyczy tylko obiektu, który się porusza (stąd „kinetyczny”) i jest inaczej znana jako tarcie ślizgowe. Jest to siła przeciwstawiająca się ruchowi ślizgowemu (popychaniu pudła po deskach podłogowych), a są specyficznewspółczynniki tarciadla tego i innych rodzajów tarcia (takich jak tarcie toczne).
Innym głównym rodzajem tarcia między ciałami stałymi jest tarcie statyczne, a jest to opór ruchu spowodowany tarciem między anadalobiekt i powierzchnię.współczynnik tarcia statycznegojest ogólnie większa niż współczynnik tarcia kinetycznego, co wskazuje, że siła tarcia jest słabsza w przypadku obiektów już w ruchu.
Równanie tarcia kinetycznego
Siłę tarcia najlepiej zdefiniować za pomocą równania. Siła tarcia zależy od współczynnika tarcia dla rozważanego rodzaju tarcia oraz wielkości siły normalnej, jaką powierzchnia wywiera na obiekt. Dla tarcia ślizgowego siła tarcia jest dana wzorem:
F_k = μ_k F_n
Gdziefak jest siłą tarcia kinetycznego,μk jest współczynnikiem tarcia ślizgowego (lub tarcia kinetycznego) ifanie jest siłą normalną, równą ciężarowi obiektu, jeśli problem dotyczy powierzchni poziomej i nie działają żadne inne siły pionowe (tj.fanie = mg, gdziemto masa obiektu isolto przyspieszenie ziemskie). Ponieważ tarcie jest siłą, jednostką siły tarcia jest niuton (N). Współczynnik tarcia kinetycznego nie ma jednostek.
Równanie tarcia statycznego jest zasadniczo takie samo, z wyjątkiem tego, że współczynnik tarcia ślizgowego jest zastępowany przez współczynnik tarcia statycznego (μs). Tak naprawdę najlepiej jest traktować to jako wartość maksymalną, ponieważ wzrasta do pewnego punktu, a następnie, jeśli przyłożysz większą siłę do obiektu, zacznie się poruszać:
F_s \leq μ_s F_n
Obliczenia z tarciem kinetycznym
Obliczenie kinetycznej siły tarcia jest proste na poziomej powierzchni, ale nieco trudniejsze na pochyłej powierzchni. Na przykład weź szklany blok o masiem= 2 kg, przy pchaniu po poziomej szklanej powierzchni,𝜇k = 0,4. Możesz łatwo obliczyć siłę tarcia kinetycznego, korzystając z zależnościfanie = mgi zauważając, żesol= 9,81 m/s2:
\begin{wyrównane} F_k &= μ_k F_n \\ &= μ_k mg \\ &= 0,4 × 2 \;\text{kg} × 9,81 \;\text{m/s}^2 \\ &= 7,85 \; \text{N} \end{wyrównany}
Teraz wyobraź sobie tę samą sytuację, z wyjątkiem tego, że powierzchnia jest nachylona pod kątem 20 stopni do poziomu. Siła normalna zależy od składowejwagaobiektu skierowanego prostopadle do powierzchni, co wyrażamgbo (θ), gdzieθto kąt nachylenia. Zauważ, żemggrzech (θ) informuje o sile grawitacji, która ciągnie go w dół pochyłości.
Gdy blok jest w ruchu, daje to:
\begin{wyrównane} F_k &= μ_k F_n \\ &= μ_k mg \; \cos (θ) \\ &= 0,4 × 2 \;\text{kg} × 9,81 \;\text{m/s}^2 × \cos (20°)\\ &= 7,37 \;\text{N } \end{wyrównany}
Możesz również obliczyć współczynnik tarcia statycznego za pomocą prostego eksperymentu. Wyobraź sobie, że próbujesz popychać lub ciągnąć 5-kilogramowy drewniany klocek po betonie. Jeśli zarejestrujesz przyłożoną siłę dokładnie w momencie, w którym pudło zaczyna się poruszać, możesz zmienić układ równania tarcia statycznego, aby znaleźć odpowiedni współczynnik tarcia dla drewna i kamienia. Jeśli do przesunięcia bloku potrzeba 30 N siły, to maksymalna dlafas = 30 N, więc:
F_s = μ_s F_n
Przestawia się na:
\begin{aligned} μ_s &= \frac{F_s}{F_n} \\ &= \frac{F_s}{mg} \\ &= \frac{30 \;\text{N}}{5 \;\text {kg}×9,81 \;\text{m/s}^2} \\ &= \frac{30 \;\text{N}}{49,05 \;\text{N}} \\ &= 0,61 \end {wyrównany}
Więc współczynnik wynosi około 0,61.