Fricțiunea statică este o forță care trebuie să fiea depasipentru ca ceva să înceapă. De exemplu, cineva poate împinge un obiect staționar ca o canapea grea fără ca acesta să se miște. Dar, dacă împing mai tare sau solicită ajutorul unui prieten puternic, acesta va depăși forța de frecare și se va mișca.
În timp ce canapeaua este încă,forța de frecare statică echilibrează forța aplicată a împingerii. Prin urmare,forța fricțiunii statice crește liniar, forța aplicată acționând în direcția opusă, până când atinge o valoare maximă și obiectul începe să se miște. După aceea, obiectul nu mai experimentează rezistență din fricțiunea statică, ci din fricțiunea cinetică.
Fricțiunea statică este de obicei o forță de frecare mai mare decât fricțiunea cinetică - este mai greu să începeți să împingeți o canapea de-a lungul podelei decât să o mențineți.
Coeficientul de frecare statică
Fricțiunea statică rezultă din interacțiunile moleculare dintre obiect și suprafața pe care se află. Astfel, diferite suprafețe oferă cantități diferite de frecare statică.
Coeficientul de frecare care descrie această diferență de frecare statică pentru diferite suprafețe esteμs.Poate fi găsit într-un tabel, cum ar fi cel legat de acest articol, sau calculat experimental.
Ecuație pentru frecare statică
Unde:
- Fs= forța fricțiunii statice în newtoni (N)
- μs = coeficient de frecare statică (fără unități)
- FN = forța normală între suprafețele în newtoni (N)
Fricțiunea statică maximă se realizează atunci când inegalitatea devine o egalitate, moment în care o forță diferită de frecare preia pe măsură ce obiectul începe să se miște. (Forța de frecare cinetică sau de alunecare are un coeficient diferit asociat cu aceasta numit coeficient de frecare cinetică și notatμk .)
Exemplu de calcul cu frecare statică
Un copil încearcă să împingă o cutie de cauciuc de 10 kg orizontal de-a lungul unei podele de cauciuc. Coeficientul de frecare static este de 1,16. Care este forța maximă pe care o poate folosi copilulfărăcutia se mișcă deloc?
[introduceți o diagramă a corpului liber care să prezinte forțele aplicate, de frecare, gravitaționale și normale pe cutia statică]
În primul rând, rețineți că forța netă este 0 și găsiți forța normală a suprafeței pe cutie. Deoarece cutia nu se mișcă, această forță trebuie să fie egală în mărime cu forța gravitațională care acționează în direcția opusă. Reamintim căFg = mgUndeFgeste forța gravitației,meste masa obiectului șigeste accelerația datorată gravitației pe Pământ.
Asa de:
F_N = F_g = 10 \ ori 9.8 = 98 \ text {N}
Apoi, rezolvați pentru Fs cu ecuația de mai sus:
F_s = \ mu_s \ times F_N = 1,16 \ times 98 = 113,68 \ text {N}
Aceasta este forța de frecare statică maximă care se va opune mișcării cutiei. Prin urmare, este, de asemenea, cantitatea maximă de forță pe care copilul o poate aplica fără să se miște cutia.
Rețineți că, atâta timp cât copilul aplică vreo forțămai mică decât valoarea maximă a frecării statice, cutia tot nu se va mișca!
Fricțiune statică pe planuri înclinate
Fricțiunea statică nu se opune doar forțelor aplicate. Păstrează obiectele să alunece pe dealuri sau alte suprafețe înclinate, rezistând la atracția gravitației.
Într-un unghi, se aplică aceeași ecuație, dar este necesară trigonometria pentru a rezolva vectorii de forță în componentele lor orizontale și verticale.
Luați în considerare o carte de 2 kg care se sprijină pe un plan înclinat la 20 de grade. Pentru ca cartea să rămână nemișcată,forțele paralele cu planul înclinat trebuie să fie echilibrate. După cum arată diagrama, forța fricțiunii statice este paralelă cu planul în direcția ascendentă; forța opusă în jos este de la gravitație - în acest caz, totuși,numai componenta orizontală a forței gravitaționaleechilibrează fricțiunea statică.
Trăgând un triunghi dreptunghiular de pe forța gravitațională pentru a-i rezolva componentele și făcând un mică geometrie pentru a găsi că unghiul din acest triunghi este egal cu unghiul de înclinare al planului,componentă orizontală a forței gravitaționale(componenta paralelă cu planul) este atunci:
F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ ori 9,8 \ ori \ sin {20} = 6,7 \ text {N}
Aceasta trebuie să fie egală cu forța de frecare statică care ține cartea în poziție.
O altă valoare posibilă de găsit în această analiză este coeficientul de frecare statică. Forța normală esteperpendicularla suprafața pe care se sprijină cartea. Deci această forță trebuie să fieechilibrat cu componenta verticalăa forței gravitaționale:
F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ ori 9,8 \ ori \ cos {20} = 18,4 \ text {N}
Apoi, rearanjând ecuația pentru frecare statică:
\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6.7} {18.4} = 0.364