Mindannyian ismerjük a súrlódási erő megnyilvánulását. Valójában minden mozgás a mindennapi életben, legyen az ember sétáltatása vagy jármű mozgatása, lehetetlen ennek az erőnek a részvétele nélkül. A fizikában háromféle súrlódási erőt szokás tanulmányozni. Ebben a cikkben ezek egyikét vizsgáljuk meg, és kitaláljuk, mi az a statikus súrlódás.
Rúd vízszintes felületen
Mielőtt megválaszolnánk a statikus súrlódási erőt és minek felel meg, nézzünk meg egy egyszerű esetet egy vízszintes felületen fekvő rúddal.
Elemezzük, milyen erők hatnak a rúdra. Az első maga az elem súlya. Jelöljük P betűvel. Függőlegesen lefelé irányul. Másodszor, ez az N támasz reakciója. Függőlegesen felfelé irányul. Newton második törvénye a vizsgált esetre a következő formában lesz megírva:
ma=P - N.
A mínusz jel itt a súly- és támaszreakcióvektorok ellentétes irányait tükrözi. Mivel a blokk nyugalmi állapotban van, a értéke nulla. Ez utóbbi azt jelenti, hogy:
P - N=0=>
P=N.
A támasz reakciója kiegyenlíti a test súlyát és abszolút értékben megegyezik vele.
A vízszintes felületen lévő rúdra ható külső erő
Most adjunk még egy cselekvő erőt a fent leírt helyzethez. Tegyük fel, hogy egy személy elkezd egy tömböt egy vízszintes felület mentén tolni. Jelöljük ezt az erőt F betűvel. Elképesztő helyzet figyelhető meg: ha az F erő kicsi, akkor a hatás ellenére a rúd továbbra is a felületen fekszik. A test súlya és a támasz reakciója a felületre merőlegesen irányul, így vízszintes vetületük nullával egyenlő. Más szóval, a P és az N erők semmilyen módon nem állhatnak szemben F-vel. Ebben az esetben miért marad a rúd nyugalomban és nem mozdul?
Nyilvánvalóan léteznie kell egy erőnek, amely az F erő ellen irányul. Ez az erő a statikus súrlódás. F ellen irányul egy vízszintes felület mentén. A rúd alsó széle és a felület érintkezési területén hat. Jelöljük az Ft szimbólummal. A vízszintes vetítés Newton-törvénye a következőképpen lesz felírva:
F=Ft.
Így a statikus súrlódási erő modulusa mindig egyenlő a vízszintes felület mentén ható külső erők abszolút értékével.
Rúdmozgás kezdete
A statikus súrlódás képletének felírásához folytassuk a cikk előző bekezdéseiben megkezdett kísérletet. Növeljük az F külső erő abszolút értékét. A rúd egy ideig nyugalomban marad, de eljön a pillanat, amikor mozogni kezd. Ezen a ponton a statikus súrlódási erő eléri a maximális értékét.
Ennek a maximális értéknek a meghatározásához vegyen egy másik sávot, amely pontosan megegyezik az elsővel, és helyezze a tetejére. A rúd érintkezési felülete a felülettel nem változott, de súlya megduplázódott. Kísérletileg megállapították, hogy a rúd felületről való leválásának F erője is megkétszereződött. Ez a tény lehetővé tette a következő képlet felírását a statikus súrlódásra:
Ft=µsP.
Azaz a súrlódási erő maximális értéke arányosnak bizonyul a P test tömegével, ahol a µs paraméter arányossági együtthatóként működik. A µs értéket statikus súrlódási együtthatónak nevezzük.
Mivel a kísérletben a testtömeg egyenlő az N támasztó reakcióerővel, az Ft képlete a következőképpen írható át:
Ft=µsN.
Az előzővel ellentétben ez a kifejezés mindig használható, még akkor is, ha a test ferde síkon van. A statikus súrlódási erő modulusa egyenesen arányos azzal a támasztóerővel, amellyel a felület hat a testre.
Az erő fizikai okai Ft
Az a kérdés, hogy miért lép fel statikus súrlódás, összetett, és figyelembe kell venni a testek közötti érintkezést mikroszkopikus és atomi szinten.
Általában az erőlködésnek két fizikai oka vanFt:
- Mechanikai kölcsönhatás a csúcsok és mélyedések között.
- Fizikai-kémiai kölcsönhatás az atomok és a testek molekulái között.
Bármilyen sima bármilyen felület, vannak rajta egyenetlenségek és inhomogenitások. Nagyjából ezek az inhomogenitások mikroszkopikus csúcsokként és mélyedésekként ábrázolhatók. Amikor az egyik test csúcsa egy másik test üregébe esik, ezek között a testek között mechanikai kapcsolás jön létre. A statikus súrlódás megjelenésének egyik oka a mikroszkopikus tengelykapcsolók hatalmas száma.
A második ok a testet alkotó molekulák vagy atomok közötti fizikai és kémiai kölcsönhatás. Ismeretes, hogy amikor két semleges atom közeledik egymáshoz, elektrokémiai kölcsönhatások léphetnek fel közöttük, például dipól-dipól vagy van der Waals kölcsönhatások. A mozgás kezdetének pillanatában a rúd kénytelen leküzdeni ezeket a kölcsönhatásokat, hogy elszakadjon a felszíntől.
Ft erősségei
Fentebb már leírtuk, hogy mekkora a maximális statikus súrlódási erő, és a hatás iránya is feltüntetésre került. Itt felsoroljuk az Ft. mennyiség egyéb jellemzőit
A nyugalmi súrlódás nem függ az érintkezési felülettől. Ezt kizárólag a hordozó reakciója határozza meg. Minél nagyobb az érintkezési felület, annál kisebb a mikroszkopikus csúcsok és mélyedések deformációja, de annál nagyobb a számuk. Ez az intuitív tény megmagyarázza, hogy a maximális Ftt miért nem változik, ha a sávot a kisebbik szélére fordítjuk.terület.
A nyugalmi súrlódás és a csúszósúrlódás azonos természetű, ugyanazokkal a képletekkel írják le, de a második mindig kisebb, mint az első. Csúszási súrlódás akkor lép fel, amikor a blokk mozogni kezd a felületen.
Force Ft a legtöbb esetben ismeretlen mennyiség. A fenti képlet megfelel az Ft maximális értékének abban a pillanatban, amikor a sáv mozogni kezd. Ennek a ténynek a pontosabb megértése érdekében az alábbiakban az Ft erőnek az F külső hatástól való függésének grafikonja látható.
Látható, hogy F növelésével a statikus súrlódás lineárisan növekszik, eléri a maximumot, majd csökken, amikor a test elkezd mozogni. A mozgás során már nem lehet Ft erőről beszélni, mivel azt csúszósúrlódás váltja fel.
Végül az Ft utolsó fontos tulajdonsága, hogy nem függ a mozgás sebességétől (viszonylag nagy sebességnél Ftcsökken).
Súrlódási együttható µs
Mivel a µs megjelenik a súrlódási modulus képletében, érdemes néhány szót ejteni róla.
A µs súrlódási tényező a két felület egyedi jellemzője. Nem testtömegtől függ, kísérletileg határozzák meg. Például egy fa-fa párnál 0,25 és 0,5 között változik a fa típusától és a dörzsölő testek felületkezelésének minőségétől függően. Viaszos fafelületekrenedves hó µs=0,14, és az emberi ízületeknél ez az együttható nagyon alacsony értékeket vesz fel (≈0,01).
Bármi is legyen a µs a szóban forgó anyagpárnál, a µk csúszósúrlódási együttható mindig hasonló lesz. kisebb. Például ha egy fát egy fára csúsztatunk, akkor ez egyenlő 0,2-vel, és az emberi ízületeknél nem haladja meg a 0,003-at.
Ezután két fizikai probléma megoldását fogjuk megvizsgálni, amelyekben a megszerzett tudást alkalmazni tudjuk.
Rúd ferde felületen: erőszámítás Ft
Az első feladat meglehetősen egyszerű. Tegyük fel, hogy egy fatömb egy fafelületen fekszik. Tömege 1,5 kg. A felület 15o szöget zár be a horizonthoz képest. Meg kell határozni a statikus súrlódási erőt, ha tudjuk, hogy a rúd nem mozog.
Ebben a problémában az a bökkenő, hogy sokan úgy kezdik, hogy kiszámolják a támasz reakcióját, majd a µs súrlódási együttható referenciaadatait felhasználva a fentieket használják. képlet az F t maximális értékének meghatározásához. Ebben az esetben azonban az Ft nem a maximum. Modulusa csak a külső erővel egyenlő, amely hajlamos a rudat a helyéről lefelé mozgatni a síkban. Ez az erő:
F=mgsin(α).
Ekkor az Ft súrlódási erő Ft lesz egyenlő F-vel. Ha az adatokat egyenlőségre cseréljük, azt a választ kapjuk: a statikus súrlódási erő egy ferde síkon F t=3,81 newton.
Rúd ferde felületen: számításmaximális dőlésszög
Most oldjuk meg a következő problémát: egy fahasáb egy fa ferde síkon van. Feltételezve, hogy a súrlódási együttható 0,4, meg kell találni a sík horizonthoz viszonyított maximális α dőlésszögét, amelynél a rúd csúszni kezd.
A csúszás akkor indul el, amikor a testsúly vetülete a síkra egyenlővé válik a maximális statikus súrlódási erővel. Írjuk fel a megfelelő feltételt:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
A µs=0, 4 értéket behelyettesítve az utolsó egyenletbe, α=21, 8o.
