Friktion finns runt omkring oss i den verkliga världen. När två ytor samverkar eller skjuter mot varandra på något sätt omvandlas en del mekanisk energi till andra former, vilket minskar hur mycket energi som finns kvar för rörelse.
Medan släta ytor tenderar att uppleva mindre friktion än grova ytor, finns det bara i ett vakuum där det inte är fråga en riktig friktionsfri miljö, även om gymnasiefysikböcker ofta hänvisar till sådana situationer för att förenkla beräkningar.
Friktion hindrar i allmänhet rörelse. Tänk på att ett tåg rullar nerför ett spår eller ett block som glider över golvet. I en friktionsfri värld skulle dessa objekt fortsätta sin rörelse på obestämd tid. Friktion får dem att sakta ner och sluta sluta i frånvaro av andra tillämpade krafter.
Satelliter ute i rymden kan behålla sina banor med lite extra energi på grund av det nästan perfekta vakuumet i rymden. Nedre omloppssatelliter stöter emellertid ofta på friktionskrafter i form av luftmotstånd och kräver periodisk omstart för att hålla kursen.
Definition av friktion
På mikroskopisk nivå uppstår friktion när molekyler på en yta interagerar med molekyler från en annan yta när dessa ytor är i kontakt och skjuter mot varandra. Detta resulterar i motstånd när ett sådant objekt försöker röra sig samtidigt som det håller kontakten med det andra objektet. Vi kallar detta motstånd friktionskraften. Liksom andra krafter är det en vektormängd mätt i newton.
Eftersom friktionskraften härrör från interaktionen mellan två objekt, bestämmer du riktningen den kommer att agera på ett visst objekt - och därmed riktningen att rita det på ett frikroppsdiagram - kräver förståelse för det samspel. Newtons tredje lag säger oss att om objekt A tillämpar en kraft på objekt B, så tillämpar objekt B en kraft lika stor som i motsatt riktning tillbaka på objekt A.
Så om objekt A trycker mot objekt B i samma riktning som objekt A rör sig, kommer friktionskraften att fungera motsatt riktningen för objekt A: s rörelse. (Detta är vanligtvis fallet med glidfriktion, som diskuteras i nästa avsnitt.) Om å andra sidan objekt A trycker på objektet B i en riktning motsatt sin rörelseriktning, då kommer friktionskraften att hamna i samma riktning som objekt A: s rörelse. (Detta är ofta fallet med statisk friktion, som också diskuteras i nästa avsnitt.)
Friktionskraftens storlek är ofta direkt proportionell mot den normala kraften, eller kraften som pressar de två ytorna mot varandra. Proportionalitetskonstanten varierar beroende på de ytor som är i kontakt. Du kan till exempel förvänta dig mindre friktion när två "släta" ytor - som ett isblock på en frusen sjö - är i kontakt, och större friktion när två "grova" ytor är i kontakt.
Friktionskraften är i allmänhet oberoende av kontaktytan mellan föremålen och den anhöriga hastigheterna på de två ytorna (utom i fallet med luftmotstånd, som inte behandlas i detta artikel.)
Typer av friktion
Det finns två huvudtyper av friktion: kinetisk friktion och statisk friktion. Du kanske också har hört talas om något som kallas rullande friktion, men som diskuteras senare i detta avsnitt är detta verkligen ett annat fenomen.
Kinetisk friktionskraft, även känd som glidfriktion, är motstånd på grund av ytinteraktioner medan ett objekt glider mot ett annat, till exempel när en låda skjuts över golvet. Kinetisk friktion verkar motsatt rörelseriktningen. Detta beror på att det glidande föremålet trycker mot ytan i samma riktning som det glider, så ytan applicerar en friktionskraft tillbaka på föremålet i motsatt riktning.
Statisk friktionär en friktionskraft mellan två ytor som skjuter mot varandra men inte glider relativt varandra. Om en låda skjuts längs golvet, innan lådan börjar glida, måste personen trycka mot den med ökande kraft och så småningom trycka tillräckligt hårt för att få den att gå. Medan tryckkraften ökar från 0 ökar den statiska friktionskraften också, motsatt tryckkraft tills personen använder en tillräckligt stor kraft för att övervinna maximal statisk friktion tvinga. Vid den tiden börjar lådan glida och kinetisk friktion tar över.
Statiska friktionskrafter möjliggör dock också vissa typer av rörelser. Tänk på vad som händer när du går över golvet. När du tar ett steg trycker du bakåt på golvet med foten och golvet trycker dig i sin tur framåt. Det är statisk friktion mellan din fot och golvet som får detta att hända, och i det här fallet hamnar den statiska friktionskraften i riktning mot din rörelse. Utan statisk friktion, när du trycker bakåt mot golvet, skulle din fot bara glida och du skulle gå på plats!
Rullmotståndkallas ibland rullande friktion, även om det är en felaktig benämning eftersom det är energiförlust på grund av deformation av ytorna i kontakt när ett föremål rullar, i motsats till ett resultat av ytor som försöker glida mot var och en Övrig. Det liknar den energi som går förlorad när en boll studsar. Rullmotståndet är i allmänhet mycket litet jämfört med statisk och kinetisk friktion. I själva verket behandlas det sällan alls i de flesta fysiktexter på college och gymnasium.
Rullmotståndet bör inte förväxlas med statiska och kinetiska friktionseffekter på ett rullande föremål. Ett däck kan till exempel uppleva glidande friktion på axeln när det svänger, och det upplever också statisk friktion, vilket håller däcket från att glida när det rullar (den statiska friktionen i detta fall, precis som med den gående personen, hamnar i riktning mot rörelse.)
Friktionsekvation
Som tidigare nämnts är storleken på friktionskraften direkt proportionell mot storleken på den normala kraften, och proportionalitetskonstanten beror på ytorna i fråga. Kom ihåg att den normala kraften är den kraft som är vinkelrät mot ytan, vilket motverkar alla andra krafter som appliceras i den riktningen.
Proportionalitetskonstanten är en enhetslös mängd som kallasfriktionskoefficient, som varierar med ytornas ojämnhet och representeras vanligtvis av den grekiska bokstavenμ.
F_f = \ mu F_N
Tips
Denna ekvation avser endast friktionens storlek och normala krafter. De pekar inte i samma riktning!
Observera att μ inte är detsamma för statisk och kinetisk friktion. Koefficienten innehåller ofta ett abonnemang medμkmed hänvisning till koefficienten för kinetisk friktion ochμsmed hänvisning till koefficienten för statisk friktion. Värdena på dessa koefficienter för olika material kan slås upp i en referenstabell. Friktionskoefficienter för vissa vanliga ytor listas i följande tabell.
| Systemet | Statisk friktion (μs) | Kinetisk friktion (μk) |
|---|---|---|
Gummi på torr betong |
1 |
0.7 |
Gummi på våt betong |
0.7 |
0.5 |
Trä på trä |
0.5 |
0.3 |
Vaxat trä på våt snö |
0.14 |
0.1 |
Metall på trä |
0.5 |
0.3 |
Stål på stål (torrt) |
0.6 |
0.3 |
Stål på stål (oljad) |
0.05 |
0.03 |
Teflon på stål |
0.04 |
0.04 |
Ben smurt av synovialvätska |
0.016 |
0.015 |
Skor på trä |
0.9 |
0.7 |
Skor på is |
0.1 |
0.05 |
Is på is |
0.1 |
0.03 |
Stål på is |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
Värdena på μ för rullmotstånd är ofta mindre än 0,01, och betydligt så, därför kan du se att rullmotstånd i jämförelse ofta är försumbar.
När du arbetar med statisk friktion skrivs kraftformeln ofta enligt följande:
F_f \ leq \ mu_s F_N
Med ojämlikheten som representerar det faktum att den statiska friktionskraften aldrig kan vara större än de krafter som motsätter sig den. Till exempel, om du försöker skjuta en stol över golvet, innan stolen börjar glida, kommer statisk friktion att fungera. Men dess värde kommer att variera. Om du applicerar 0,5 N på stolen, kommer stolen att uppleva 0,5 N statisk friktion för att motverka det. Om du trycker med 1,0 N blir den statiska friktionen 1,0 N och så vidare tills du trycker med mer än det maximala värdet för den statiska friktionskraften och stolen börjar glida.
Friktionsexempel
Exempel 1:Vilken kraft måste appliceras på ett 50 kg metallblock för att skjuta det över ett trägolv med konstant hastighet?
Lösning:Först ritar vi frikroppsdiagrammet för att identifiera alla krafter som verkar på blocket. Vi har tyngdkraften som verkar rakt ner, den normala kraften som verkar uppåt, tryckkraften som verkar åt höger och friktionskraften som verkar åt vänster. Eftersom blocket är tänkt att röra sig med konstant hastighet vet vi att alla krafter måste lägga till 0.
Nettokraftekvationerna för denna inställning är följande:
F_ {netx} = F_ {push} - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g = 0
Från den andra ekvationen får vi det:
F_N = F_g = mg = 50 \ gånger 9.8 = 490 \ text {N}
Genom att använda detta resultat i den första ekvationen och lösa den okända tryckkraften får vi:
F_ {push} = F_f = \ mu_kF_N = 0,3 \ gånger 490 = 147 \ text {N}
Exempel 2:Vilken är den maximala lutningsvinkel som en ramp kan ha innan en låda på 10 kg som vilar på den börjar glida? Med vilken acceleration kommer den att glida i denna vinkel? Antarμsär 0,3 ochμkär 0,2.
Lösning:Återigen börjar vi med ett frikroppsdiagram. Gravitationskraften verkar rakt ner, den normala kraften verkar vinkelrätt mot lutningen och friktionskraften verkar uppför rampen.
•••Dana Chen | Sciencing
För den första delen av problemet vet vi att nettokraften måste vara 0 och att den maximala statiska friktionskraften ärμsFN.
Välj ett koordinatsystem i linje med rampen så att nedåt rampen är den positiva x-axeln. Bryt sedan upp varje kraft ix-ochy-komponenter och skriv nettokraftekvationerna:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
Nästa, ersättareμsFN för friktion och lösa förFNi den andra ekvationen:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0 \ innebär F_N = F_g \ cos (\ theta)
Anslut formeln förFNin i den första ekvationen och lösa förθ:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_g \ cos (\ theta) = 0 \\ \ innebär F_g \ sin (\ theta) = \ mu_sF_g \ cos (\ theta) \\ \ innebär \ frac {\ sin (\ theta)} {\ cos (\ theta)} = \ mu_s \\ \ innebär \ tan (\ theta) = \ mu_s \\ \ innebär \ theta = \ tan ^ {- 1} (\ mu_s)
Anslut värdet 0,3 förμs ger resultatetθ= 16,7 grader.
I den andra delen av frågan används nu kinetisk friktion. Vårt frikroppsdiagram är i princip samma. Den enda skillnaden är att vi nu vet lutningen på lutningen, och nettokraften är inte 0 ixriktning. Så våra nettokraftsekvationer blir:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = ma \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
Vi kan lösa den normala kraften i den andra ekvationen, precis som tidigare, och ansluta den till den första ekvationen. Att göra det och sedan lösa förager:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_kF_g \ cos (\ theta) = ma \\ = \ avbryt {m} g \ sin (\ theta) - \ mu_k \ avbryt {m} g \ cos (\ theta) = \ avbryta {m} a \\ \ innebär a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta)
Nu är det enkelt att koppla in siffror. Det slutliga resultatet är:
a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta) = 9.8 \ sin (16.7) - 0.2 \ gånger 9.8 \ cos (16.7) = 0.94 \ text {m / s} ^ 2