Fricțiunea este în jurul nostru în lumea reală. Când două suprafețe interacționează sau se împing unele împotriva altora într-un fel, o anumită energie mecanică este convertită în alte forme, reducând cât de multă energie rămâne pentru mișcare.
În timp ce suprafețele netede au tendința de a experimenta o frecare mai mică decât suprafețele aspre, există doar un vid în care acest lucru nu contează un adevărat mediu fără fricțiuni, deși manualele de fizică din liceu se referă adesea la astfel de situații pentru a simplifica calcule.
Fricțiunea împiedică în general mișcarea. Luați în considerare un tren care rulează pe o cale sau un bloc care alunecă pe podea. Într-o lume fără fricțiuni, aceste obiecte și-ar continua mișcarea la nesfârșit. Fricțiunea îi face să încetinească și, în cele din urmă, să se oprească în absența oricăror alte forțe aplicate.
Sateliții din spațiu sunt capabili să își mențină orbitele cu puțină energie adăugată datorită vidului aproape perfect al spațiului. Cu toate acestea, sateliții cu orbită inferioară întâmpină adesea forțe de frecare sub formă de rezistență la aer și necesită o reîncărcare periodică pentru a menține cursul.
Definiția Friction
La nivel microscopic, fricțiunea apare atunci când moleculele unei suprafețe interacționează cu moleculele de pe altă suprafață atunci când acele suprafețe sunt în contact și se împing una împotriva celeilalte. Acest lucru are ca rezultat rezistență atunci când un astfel de obiect încearcă să se miște în timp ce menține contactul cu celălalt obiect. Numim această rezistență forța de frecare. La fel ca alte forțe, este o cantitate vectorială măsurată în newtoni.
Deoarece forța de frecare rezultă din interacțiunea a două obiecte, determinarea direcției asupra căreia va acționa un obiect dat - și, prin urmare, direcția de a-l desena pe o diagramă cu corp liber - necesită înțelegerea asta interacţiune. A treia lege a lui Newton ne spune că dacă obiectul A aplică o forță asupra obiectului B, atunci obiectul B aplică o forță egală în mărime, dar în direcția opusă înapoi pe obiectul A.
Deci, dacă obiectul A împinge obiectul B în aceeași direcție în care se mișcă obiectul A, forța de frecare va acționa opus direcției mișcării obiectului A. (Acesta este în mod obișnuit cazul cu frecare glisantă, discutat în secțiunea următoare.) Dacă, pe de altă parte, obiectul A împinge obiectul B într-o direcție opusă direcției sale de mișcare, atunci forța de frecare va ajunge în aceeași direcție ca mișcarea obiectului A. (Acesta este adesea cazul fricțiunii statice, de asemenea, discutat în secțiunea următoare.)
Mărimea forței de frecare este adesea direct proporțională cu forța normală sau forța care presează cele două suprafețe una împotriva celeilalte. Constanta de proporționalitate variază în funcție de suprafețele care sunt în contact. De exemplu, s-ar putea să vă așteptați la o frecare mai mică atunci când două suprafețe „slick” - cum ar fi un bloc de gheață pe un lac înghețat - sunt în contact și o frecare mai mare atunci când două suprafețe „aspre” sunt în contact.
Forța de frecare este, în general, independentă de zona de contact dintre obiecte și relativă viteze ale celor două suprafețe (cu excepția cazului de rezistență la aer, care nu este abordată în acest document) articol.)
Tipuri de frecare
Există două tipuri principale de frecare: fricțiunea cinetică și fricția statică. Este posibil să fi auzit și de ceva numit frecare de rulare, dar așa cum am discutat mai târziu în această secțiune, acesta este cu adevărat un fenomen diferit.
Forța de frecare cinetică, cunoscută și sub denumirea de frecare glisantă, este rezistența datorată interacțiunilor de suprafață în timp ce un obiect alunecă pe altul, cum ar fi atunci când o cutie este împinsă pe podea. Fricțiunea cinetică acționează opus direcției de mișcare. Acest lucru se datorează faptului că obiectul care alunecă împinge suprafața în aceeași direcție în care alunecă, astfel încât suprafața aplică o forță de frecare înapoi pe obiect în direcția opusă.
Frecare staticăeste o forță de frecare între două suprafețe care se împing una împotriva celeilalte, dar nu alunecă una față de cealaltă. În cazul în care o cutie este împinsă de-a lungul podelei, înainte ca cutia să înceapă să alunece, persoana trebuie să împingă împotriva ei cu o forță crescândă, împingând în cele din urmă suficient de tare pentru ao pune în funcțiune. În timp ce forța de împingere crește de la 0, forța de frecare statică crește și ea, opunându-se împingând forța până când persoana aplică o forță suficient de mare pentru a depăși frecarea statică maximă forta. În acel moment, cutia începe să alunece și fricțiunea cinetică preia.
Cu toate acestea, forțele statice de frecare permit și anumite tipuri de mișcare. Luați în considerare ce se întâmplă când mergeți pe podea. În timp ce faci un pas, te împingi înapoi pe podea cu piciorul, iar podeaua, la rândul tău, te împinge înainte. Fricțiunea statică dintre picior și podea este cea care face ca acest lucru să se întâmple și, în acest caz, forța statică de frecare ajunge să fie în direcția mișcării. Fără frecare statică, atunci când vă împingeți înapoi împotriva podelei, piciorul dvs. ar aluneca și ați merge pe loc!
Rezistență la rostogolireeste uneori numită frecare de rulare, deși aceasta este o denumire greșită, deoarece este o pierdere de energie datorată deformării suprafețele în contact ca un obiect se rostogolesc, spre deosebire de un rezultat al suprafețelor care încearcă să alunece pe fiecare alte. Este similar cu energia pierdută atunci când o minge sare. Rezistența la rulare este în general foarte mică în comparație cu frecarea statică și cinetică. De fapt, rareori este abordată deloc în majoritatea textelor de fizică ale colegiilor și liceelor.
Rezistența la rulare nu trebuie confundată cu efectele de frecare statică și cinetică asupra unui obiect de rulare. O anvelopă, de exemplu, se confruntă cu frecare alunecată pe axă în timp ce se rotește și, de asemenea, se confruntă cu frecare statică, care menține cauciucul să alunece pe măsură ce se rostogolește (fricția statică în acest caz, la fel ca în cazul persoanei care merge, ajunge să acționeze în direcția mişcare.)
Ecuația de frecare
După cum sa menționat anterior, magnitudinea forței de frecare este direct proporțională cu magnitudinea forței normale, iar constanta proporționalității depinde de suprafețele în cauză. Amintiți-vă că forța normală este forța perpendiculară pe suprafață, care contracarează orice alte forțe aplicate în acea direcție.
Constanta proporționalității este o mărime fără unitate numităcoeficient de frecare, care variază cu rugozitatea suprafețelor în cauză și este de obicei reprezentată de litera greacăμ.
F_f = \ mu F_N
sfaturi
Această ecuație se referă doar la magnitudinea fricțiunii și a forțelor normale. Nu indică în aceeași direcție!
Rețineți că μ nu este același pentru frecare statică și cinetică. Coeficientul include adesea un indice, cuμkreferindu-se la coeficientul de frecare cinetică șiμsreferindu-se la coeficientul de frecare static. Valorile acestor coeficienți pentru diferite materiale pot fi căutate într-un tabel de referință. Coeficienții de frecare pentru unele suprafețe comune sunt enumerați în tabelul următor.
| Sistem | Fricțiune statică (μs) | Frecare cinetică (μk) |
|---|---|---|
Cauciuc pe beton uscat |
1 |
0.7 |
Cauciuc pe beton umed |
0.7 |
0.5 |
Lemn pe lemn |
0.5 |
0.3 |
Lemn ceruit pe zăpadă umedă |
0.14 |
0.1 |
Metal pe lemn |
0.5 |
0.3 |
Oțel pe oțel (uscat) |
0.6 |
0.3 |
Oțel pe oțel (uns) |
0.05 |
0.03 |
Teflon pe oțel |
0.04 |
0.04 |
Osul lubrifiat de lichid sinovial |
0.016 |
0.015 |
Pantofi pe lemn |
0.9 |
0.7 |
Pantofi pe gheață |
0.1 |
0.05 |
Gheață pe gheață |
0.1 |
0.03 |
Oțel pe gheață |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
Valorile μ pentru rezistența la rulare sunt adesea mai mici de 0,01 și, în mod semnificativ, de aceea puteți vedea că, în comparație, rezistența la rulare este adesea neglijabilă.
Când se lucrează cu frecare statică, formula forței este adesea scrisă după cum urmează:
F_f \ leq \ mu_s F_N
Cu inegalitatea reprezentând faptul că forța fricțiunii statice nu poate fi niciodată mai mare decât forțele care se opun acesteia. De exemplu, dacă încercați să împingeți un scaun pe podea, înainte ca scaunul să înceapă să alunece, va acționa fricțiunea statică. Dar valoarea sa va varia. Dacă aplicați 0,5 N pe scaun, atunci scaunul va experimenta 0,5 N de frecare statică pentru a contracara acest lucru. Dacă împingeți cu 1,0 N, atunci frecarea statică devine 1,0 N și așa mai departe până când împingeți cu mai mult decât valoarea maximă a forței de frecare statică și scaunul începe să alunece.
Exemple de frecare
Exemplul 1:Ce forță trebuie aplicată unui bloc de metal de 50 kg pentru a-l împinge pe o podea de lemn cu viteză constantă?
Soluţie:Mai întâi, desenăm diagrama corpului liber pentru a identifica toate forțele care acționează asupra blocului. Avem forța gravitației acționând drept în jos, forța normală acționând în sus, forța de împingere acționând spre dreapta și forța de frecare care acționează spre stânga. Deoarece blocul este menit să se miște cu o viteză constantă, știm că toate forțele trebuie să adauge 0.
Ecuațiile forței nete pentru acest set sunt următoarele:
F_ {netx} = F_ {push} - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g = 0
Din a doua ecuație, obținem că:
F_N = F_g = mg = 50 \ ori 9.8 = 490 \ text {N}
Folosind acest rezultat în prima ecuație și rezolvând forța de împingere necunoscută, obținem:
F_ {push} = F_f = \ mu_kF_N = 0.3 \ times 490 = 147 \ text {N}
Exemplul 2:Care este unghiul maxim de înclinare pe care îl poate avea o rampă înainte ca o cutie de 10 kg așezată pe ea să înceapă să alunece? Cu ce accelerație va aluneca în acest unghi? Să presupunemμseste 0,3 șiμkeste 0,2.
Soluţie:Din nou, începem cu o diagramă cu corp liber. Forța gravitațională acționează drept în jos, forța normală acționează perpendicular pe înclinație și forța de frecare acționează în sus pe rampă.
•••Dana Chen | Știința
Pentru prima parte a problemei, știm că forța netă trebuie să fie 0 și forța maximă de frecare statică esteμsFN.
Alegeți un sistem de coordonate aliniat cu rampa astfel încât în jos rampa să fie axa pozitivă x. Apoi rupeți fiecare forță înX-șiy-componenți și scrieți ecuațiile forței nete:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
Apoi, înlocuieșteμsFN pentru frecare și rezolvați pentruFNîn a doua ecuație:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0 \ implică F_N = F_g \ cos (\ theta)
Conectați formula pentruFNîn prima ecuație și rezolvați pentruθ:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_g \ cos (\ theta) = 0 \\ \ implică F_g \ sin (\ theta) = \ mu_sF_g \ cos (\ theta) \\ \ implică \ frac {\ sin (\ theta)} {\ cos (\ theta)} = \ mu_s \\ \ implies \ tan (\ theta) = \ mu_s \\ \ implies \ theta = \ tan ^ {- 1} (\ mu_s)
Conectarea valorii de 0,3 pentruμs dă rezultatulθ= 16,7 grade.
A doua parte a întrebării folosește acum fricțiunea cinetică. Diagrama noastră cu corp liber este în esență aceeași. Singura diferență este că acum cunoaștem unghiul înclinației, iar forța netă nu este 0 înXdirecţie. Deci ecuațiile forței noastre nete devin:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = ma \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
Putem rezolva forța normală din a doua ecuație, la fel ca înainte, și o putem conecta la prima ecuație. Făcând asta și apoi rezolvând pentruAdă:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_kF_g \ cos (\ theta) = ma \\ = \ cancel {m} g \ sin (\ theta) - \ mu_k \ cancel {m} g \ cos (\ theta) = \ anulați {m} a \\ \ implică a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta)
Acum este o chestiune simplă de conectare a numerelor. Rezultatul final este:
a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta) = 9.8 \ sin (16.7) - 0.2 \ times 9.8 \ cos (16.7) = 0.94 \ text {m / s} ^ 2