Fricțiunea face parte din viața de zi cu zi. În timp ce în problemele fizicii idealizate ignorați adesea lucruri precum rezistența aerului și forța de frecare, dacă doriți cu precizie calculați mișcarea obiectelor pe o suprafață, trebuie să țineți cont de interacțiunile de la punctul de contact dintre obiect și suprafaţă.
Acest lucru înseamnă, de obicei, fie lucrul cu frecare glisantă, fricție statică sau frecare de rulare, în funcție de situația specifică. Deși un obiect rulant, cum ar fi o minge sau o roată, are în mod clar o forță de frecare mai mică decât un obiect pe care trebuie să-l faceți glisați, va trebui totuși să învățați să calculați rezistența la rulare pentru a descrie mișcarea obiectelor, cum ar fi anvelopele auto asfalt.
Definiția Rolling Friction
Fricțiunea de rulare este un tip de frecare cinetică, cunoscut și sub numele derezistență la rostogolire, care se aplică mișcării de rulare (spre deosebire de mișcarea de alunecare - celălalt tip de frecare cinetică) și se opune mișcării de rulare în esență în același mod ca și alte forme de forță de frecare.
În general vorbind, rularea nu implică la fel de multă rezistență ca alunecarea, decicoeficientul de frecare la rularepe o suprafață este de obicei mai mic decât coeficientul de frecare pentru situații de alunecare sau statice pe aceeași suprafață.
Procesul de rulare (sau rulare pură, adică fără alunecare) este destul de diferit de alunecare, deoarece rularea include o frecare suplimentară pe măsură ce fiecare punct nou al obiectului intră în contact cu suprafaţă. Ca urmare, în orice moment există un nou punct de contact și situația este instantaneu similară cu fricțiunea statică.
Există mulți alți factori dincolo de rugozitatea suprafeței care influențează, de asemenea, frecarea rulării; de exemplu, cantitatea pe care obiectul și suprafața pentru mișcarea de rulare se deformează atunci când sunt în contact afectează puterea forței. De exemplu, anvelopele pentru mașini sau camioane au o rezistență mai mare la rulare atunci când sunt umflate la o presiune mai mică. Pe lângă forțele directe care împing o anvelopă, o parte din pierderea de energie se datorează căldurii, numităpierderi de histerezis.
Ecuație pentru frecare
Ecuația pentru fricțiunea de rulare este practic aceeași cu ecuațiile pentru fricțiunea glisantă și statică fricțiune, cu excepția coeficientului de frecare la rulare în locul coeficientului similar pentru alte tipuri de frecare.
FolosindFk, r pentru forța fricțiunii de rulare (de exemplu, cinetică, de rulare),Fn pentru forța normală șiμk, r pentru coeficientul de frecare la rulare, ecuația este:
F_ {k, r} = μ_ {k, r} F_n
Deoarece frecare de rulare este o forță, unitatea deFk, r este newtoni. Când rezolvați probleme care implică un corp de rulare, va trebui să căutați coeficientul specific de frecare a rulării pentru materialele dvs. specifice. Inginerie Toolbox este în general un fantastic resursă pentru acest tip de lucruri (vezi Resurse).
Ca întotdeauna, forța normală (Fn) are aceeași magnitudine a greutății (adicămg, Undemeste masa șig= 9,81 m / s2) a obiectului pe o suprafață orizontală (presupunând că nu acționează alte forțe în acea direcție) și este perpendicular pe suprafață în punctul de contact.Dacă suprafața este înclinatăla un unghiθ, magnitudinea forței normale este dată demgcos (θ).
Calcule cu frecare cinetică
Calculul frecării rulării este un proces destul de simplu în majoritatea cazurilor. Imaginați-vă o mașină cu o masă dem= 1.500 kg, conducând pe asfalt și cuμk, r = 0.02. Care este rezistența la rulare în acest caz?
Folosind formula, alăturiFn = mg(pe o suprafață orizontală):
\ begin {align} F_ {k, r} & = μ_ {k, r} F_n \\ & = μ_ {k, r} mg \\ & = 0,02 × 1500 \; \ text {kg} × 9,81 \; \ text {m / s} ^ 2 \\ & = 294 \; \ text {N} \ end {align}
Puteți vedea că forța datorată fricțiunii de rulare pare substanțială în acest caz, cu toate acestea, având în vedere masa mașinii și folosind a doua lege a lui Newton, aceasta se ridică doar la o decelerare de 0,196 m / s2. Eu
Dacă aceeași mașină circula pe un drum cu o înclinație ascendentă de 10 grade, ar trebui să o folosițiFn = mgcos (θ), iar rezultatul s-ar schimba:
\ begin {align} F_ {k, r} & = μ_ {k, r} F_n \\ & = μ_ {k, r} mg \ cos (\ theta) \\ & = 0,02 × 1500 \; \ text {kg } × 9,81 \; \ text {m / s} ^ 2 × \ cos (10 °) \\ & = 289,5 \; \ text {N} \ end {align}
Deoarece forța normală este redusă datorită înclinației, forța de frecare se reduce cu același factor.
De asemenea, puteți calcula coeficientul de frecare la rulare dacă cunoașteți forța de frecare la rulare și dimensiunea forței normale, utilizând următoarea formulă rearanjată:
μ_ {k, r} = \ frac {F_ {k, r}} {F_n}
Imaginarea unei anvelope de bicicletă care se rostogolește pe o suprafață de beton orizontală cuFn = 762 N șiFk, r = 1,52 N, coeficientul de frecare la rulare este:
\ begin {align} μ_ {k, r} & = \ frac {F_ {k, r}} {F_n} \\ & = \ frac {1.52 \; \ text {N}} {762 \; \ text {N }} \\ & = 0,002 \ end {align}