Tarcie ślizgowe, powszechnie nazywane tarciem kinetycznym, to siła, która przeciwstawia się ruchowi ślizgowemu dwóch poruszających się obok siebie powierzchni. W przeciwieństwie do tego, tarcie statyczne jest rodzajem siły tarcia między dwiema powierzchniami, które napierają na siebie, ale nie ślizgają się względem siebie. (Wyobraź sobie, że pchasz krzesło, zanim zacznie ślizgać się po podłodze. Siła, którą przykładasz przed rozpoczęciem poślizgu, jest przeciwstawiana tarciu statycznemu).
Tarcie ślizgowe zwykle wiąże się z mniejszym oporem niż tarcie statyczne, dlatego często trzeba mocniej naciskać, aby obiekt zaczął się ślizgać, niż aby go utrzymać. Wielkość siły tarcia jest wprost proporcjonalna do wielkości siły normalnej. Przypomnijmy, że siła normalna to siła prostopadła do powierzchni, która przeciwdziała wszelkim innym siłom przyłożonym w tym kierunku.
Stała proporcjonalności jest niemianowaną wielkością zwaną współczynnikiem tarcia i zmienia się w zależności od stykających się powierzchni. (Wartości tego współczynnika są zazwyczaj sprawdzane w tabelach). Współczynnik tarcia jest zwykle przedstawiany grecką literą
μz indeksem dolnymkwskazujące na tarcie kinetyczne. Wzór na siłę tarcia wyraża się wzorem:F_f=\mu_kF_N
GdziefaNjest wielkością siły normalnej, jednostkami są niutony (N), a kierunek tej siły jest przeciwny do kierunku ruchu.
Definicja tarcia tocznego
Opór toczenia jest czasami określany jako tarcie toczenia, chociaż nie jest to dokładnie siła tarcia, ponieważ nie jest wynikiem kontaktu dwóch powierzchni, które próbują napierać na siebie. Jest to siła oporowa wynikająca z utraty energii na skutek odkształceń toczącego się obiektu i powierzchni.
Podobnie jak w przypadku sił tarcia, wielkość siły oporu toczenia jest jednak wprost proporcjonalna do wielkości siły normalnej, ze stałą proporcjonalności, która zależy od powierzchni w kontakt. Podczasμrjest czasami używany jako współczynnik, częściej można go zobaczyćdorr, dzięki czemu równanie na wielkość oporu toczenia wygląda następująco:
F_r=C_{rr}F_N
Siła ta działa przeciwnie do kierunku ruchu.
Przykłady tarcia ślizgowego i oporu toczenia
Rozważmy przykład tarcia dotyczący wózka dynamicznego znalezionego w typowej klasie fizyki i porównajmy przyspieszenie, z jakim porusza się po metalowej szynie nachylonej pod kątem 20 stopni dla trzech różnych scenariusze:
Scenariusz 1:Na wózek nie działają żadne siły tarcia ani oporu, ponieważ toczy się on swobodnie bez ześlizgiwania się po torze.
Najpierw narysujemy diagram swobodnego ciała. Jedynymi siłami działającymi są siła grawitacji skierowana prosto w dół i siła normalna skierowana prostopadle do powierzchni.
Równania siły wypadkowej to:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Od razu możemy rozwiązać pierwsze równanie na przyspieszenie i wstawić wartości, aby uzyskać odpowiedź:
F_g\sin{\theta}=ma\\ \implikuje mg\sin(\theta)=ma\\ \implikuje a=g\sin(\theta)=9.8\sin (20)=\boxed{3.35\text{ m/s}^2}
Scenariusz 2:Opór toczenia działa na wózek, który toczy się swobodnie, nie ześlizgując się po torze.
Tutaj przyjmiemy współczynnik oporu toczenia 0,0065, który jest oparty na przykładzie znalezionym w a papier z Akademii Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.
Teraz nasz wykres wolnego ciała obejmuje opór toczenia działający na torze. Nasze równania sił wypadkowych przybierają postać:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_r=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Z drugiego równania możemy znaleźćfaN, wstaw wynik do wyrażenia na tarcie w pierwszym równaniu i rozwiąż dlaza:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\implikuje 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\\ \implikuje \anuluj 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))\\ =\opakowane{3.29 \text{ m/s}^2}
Scenariusz 3:Koła wózka są zablokowane, a wózek ślizga się po torze, hamowany przez tarcie kinetyczne.
Tutaj użyjemy współczynnika tarcia kinetycznego 0,2, który znajduje się w środku zakresu wartości typowych dla plastiku o metal.
Nasz wykres swobodnego ciała wygląda bardzo podobnie do przypadku oporów toczenia, z wyjątkiem tego, że jest to ślizgowa siła tarcia działająca na rampę. Nasze równania sił wypadkowych przybierają postać:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_k=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
I znowu rozwiązujemy dlazaw podobny sposób:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\implikuje F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-\mu_kF_N=F_g\sin(\theta)-\mu_kF_g\cos(\theta )=ma\\ \implikuje \anuluj 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 \text{ m/s}^2}
Należy zauważyć, że przyspieszenie z oporami toczenia jest bardzo zbliżone do przypadku bez tarcia, podczas gdy w przypadku tarcia ślizgowego jest znacznie inny. To dlatego w większości sytuacji zaniedbuje się opory toczenia i dlatego koło było genialnym wynalazkiem!