Tarcie statyczne: definicja, współczynnik i równanie (z przykładami)

Tarcie statyczne to siła, która musi byćprzezwyciężaćżeby coś się zaczęło. Na przykład ktoś może pchać nieruchomy przedmiot, taki jak ciężka kanapa, bez poruszania się. Ale jeśli będą naciskać mocniej lub pozyskać pomoc silnego przyjaciela, przezwycięży to siłę tarcia i ruszy.

Gdy kanapa jest nieruchoma,siła tarcia statycznego równoważy przyłożoną siłę pchania. W związku z tym,siła tarcia statycznego wzrasta liniowo przy przyłożonej sile działającej w przeciwnym kierunku, aż osiągnie maksymalną wartość, a obiekt po prostu zacznie się poruszać. Następnie obiekt nie doświadcza już oporu z tarcia statycznego, ale z tarcia kinetycznego.

Tarcie statyczne jest zwykle większą siłą tarcia niż tarcie kinetyczne – trudniej jest zacząć pchać kanapę po podłodze niż utrzymać ją w ruchu.

Tarcie statyczne wynika z interakcji molekularnych między obiektem a powierzchnią, na której się znajduje. W ten sposób różne powierzchnie zapewniają różne poziomy tarcia statycznego.

Współczynnik tarcia opisujący tę różnicę tarcia statycznego dla różnych powierzchni wynosi

Gdzie:

• ​fa_s= siła tarcia statycznego w niutonach (N)
• ​μ_s = współczynnik tarcia statycznego (bez jednostek)
  
• ​fa_N = siła normalna między powierzchniami w niutonach (N)

Maksymalne tarcie statyczne osiąga się, gdy nierówność staje się równością, w którym to momencie inna siła tarcia przejmuje, gdy obiekt zaczyna się poruszać. (Z siłą tarcia kinetycznego lub ślizgowego związany jest inny współczynnik zwany współczynnikiem tarcia kinetycznego i oznaczanyμ_k .)​

Dziecko próbuje pchać 10-kilogramowe gumowe pudełko poziomo po gumowej podłodze. Współczynnik tarcia statycznego wynosi 1,16. Jaka jest maksymalna siła, której dziecko może użyć?bezpudełko w ogóle się porusza?

[wstawić wykres swobodnego ciała pokazujący przyłożone siły tarcia, grawitacyjne i normalne na nieruchomym pudełku]

Po pierwsze, zauważ, że siła wypadkowa wynosi 0 i znajdź siłę normalną powierzchni na pudełku. Ponieważ pudełko się nie porusza, siła ta musi być równa sile grawitacji działającej w przeciwnym kierunku. Odwołaj tofa_sol = mggdziefa_soljest siła grawitacji,mijest masa obiektu isolto przyspieszenie grawitacyjne na Ziemi.

Więc:

Następnie znajdź F_s z powyższym równaniem:

Jest to maksymalna statyczna siła tarcia, która będzie przeciwdziałać ruchowi pudełka. Jest to zatem również maksymalna siła, jaką dziecko może zastosować bez poruszania się pudełka.

Zwróć uwagę, że tak długo, jak dziecko stosuje jakąkolwiek siłęmniejsza niż maksymalna wartość tarcia statycznego, pudełko nadal się nie porusza!

Tarcie statyczne nie tylko przeciwstawia się przyłożonym siłom. Zapobiega zsuwaniu się obiektów ze wzgórz lub innych pochylonych powierzchni, opierając się przyciąganiu grawitacji.

W przypadku kąta obowiązuje to samo równanie, ale trygonometria jest potrzebna do rozdzielenia wektorów siły na ich składowe poziome i pionowe.

Weźmy pod uwagę dwukilogramową książkę spoczywającą na nachylonej płaszczyźnie pod kątem 20 stopni. Aby książka pozostała nieruchoma,siły równoległe do nachylonej płaszczyzny muszą być zrównoważone. Jak pokazuje wykres, siła tarcia statycznego jest równoległa do płaszczyzny w kierunku do góry; przeciwna siła skierowana w dół pochodzi z grawitacji – jednak w tym przypadkutylko składowa pozioma siły grawitacyjnejrównoważy tarcie statyczne.

Rysując trójkąt prostokątny od siły grawitacji w celu rozłożenia jego składowych i wykonując a mała geometria, aby stwierdzić, że kąt w tym trójkącie jest równy kątowi nachylenia płaszczyzny,składowa pozioma siły grawitacyjnej(komponent równoległy do ​​płaszczyzny) jest wtedy:

Musi być równa sile tarcia statycznego utrzymującego książkę w miejscu.

Inną wartością możliwą do znalezienia w tej analizie jest współczynnik tarcia statycznego. Siła normalna toprostopadłydo powierzchni, na której spoczywa książka. Więc ta siła musi byćzrównoważony z komponentem pionowymsiły grawitacji:

Następnie przestawiając równanie na tarcie statyczne: