A fizika - dinamika egy speciális részében, amikor a testek mozgását vizsgálják, figyelembe veszik a mozgó rendszerre ható erőket. Ez utóbbiak pozitív és negatív munkát is végezhetnek. Fontolja meg ebben a cikkben, hogy mi a súrlódási erő munkája és hogyan számítják ki.
A munka fogalma a fizikában
A fizikában a „munka” fogalma eltér ennek a szónak a szokásos elképzelésétől. A munka alatt fizikai mennyiséget értünk, amely egyenlő a test erővektorának és elmozdulásvektorának skaláris szorzatával. Tegyük fel, hogy van valami tárgy, amelyre az F¯ erő hat. Mivel semmilyen más erő nem hat rá, l¯ elmozdulási vektora egybeesik az F¯ vektorral. Ezen vektorok skaláris szorzata ebben az esetben a moduljaik szorzatának felel meg, azaz:
A=(F¯l¯)=Fl.
Az A érték az F¯ erő által végzett munka, amellyel a tárgyat l távolságra elmozdítja. Figyelembe véve az F és l értékek méreteit, azt találjuk, hogy a munkát newton per méterben (Nm) mérik az SI rendszerben. Azonban az egységAz Nm-nek saját neve van - ez egy joule. Ez azt jelenti, hogy a munka fogalma megegyezik az energia fogalmával. Más szóval, ha 1 newton erő elmozdít egy testet 1 méterrel, akkor a megfelelő energiaköltség 1 joule.
Mekkora a súrlódási erő?
A súrlódási erő működésére vonatkozó kérdés tanulmányozása lehetséges, ha tudja, milyen erőről beszélünk. A súrlódás a fizikában egy olyan folyamat, amely megakadályozza, hogy az egyik test elmozduljon a másik felületén, amikor ezek a felületek érintkeznek.
Ha csak a szilárd testeket vesszük figyelembe, akkor ezeknél háromféle súrlódás létezik:
- pihenés;
- csúszás;
- gurul.
Ezek az erők az érintkező felületek között hatnak, és mindig a testek mozgása ellen irányulnak.
A nyugalmi súrlódás megakadályozza magát a mozgást, a csúszósúrlódás a mozgás folyamatában nyilvánul meg, amikor a testek felületei egymáson csúsznak, és gördülési súrlódás lép fel a felületen gördülő test és maga a felület között.
A statikus súrlódás egyik példája egy domboldalon a kéziféken lévő autó. A csúszó súrlódás akkor nyilvánul meg, amikor egy síelő havon vagy egy korcsolyázó jégen mozog. Végül a gördülési súrlódás akkor hat, amikor az autó kereke az úton halad.
Mindhárom típusú súrlódási erőt a következő képlet segítségével számítjuk ki:
Ft=µtN.
Itt N a támasztó reakcióerő, µt a súrlódási együttható. N erőmutatja a támaszték testre gyakorolt hatásának nagyságát a felület síkjára merőlegesen. Ami a µt paramétert illeti, azt kísérletileg mérik minden dörzsölőanyag-párra, például fa-fa, acél-hó stb. A mért eredményeket speciális táblázatokba gyűjtjük.
Minden súrlódási erő esetében a µt együtthatónak saját értéke van a kiválasztott anyagpárra. Így a statikus súrlódási együttható több tíz százalékkal nagyobb, mint a csúszósúrlódásé. A gördülési együttható viszont 1-2 nagyságrenddel kisebb, mint a csúszóé.
Súrlódási erők munkája
Most, miután megismerkedett a munka fogalmaival és a súrlódás típusaival, közvetlenül a cikk témájához léphet. Vegyük sorra az összes súrlódási erőtípust, és derítsük ki, milyen munkát végeznek.
Kezdjük a statikus súrlódással. Ez a típus akkor jelentkezik, amikor a test nem mozog. Mivel nincs mozgás, az l¯ elmozdulásvektora nulla. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a statikus súrlódási erő munkája is egyenlő nullával.
A csúszósúrlódás definíció szerint csak akkor fejti ki hatását, amikor a test mozog a térben. Mivel az ilyen típusú súrlódás ereje mindig a test mozgása ellen irányul, ez azt jelenti, hogy negatív munkát végez. Az A értéke a következő képlettel számítható ki:
A=-Ftl=-µtNl.
A csúszó súrlódási erő munkája a test mozgásának lelassítására irányul. E munka eredményeként a test mechanikai energiája hővé alakul.
A gördülési súrlódás a csúszáshoz hasonlóan a test mozgását is magában foglalja. A gördülési súrlódási erő negatív munkát végez, lelassítja a test kezdeti forgását. Mivel a test forgásáról beszélünk, célszerű ennek az erőnek az értékét a lendülete alapján kiszámítani. A megfelelő képlet a következőképpen írható:
A=-Mθ ahol M=FtR.
Itt θ a test forgási szöge a forgás eredményeként, R a felület és a forgástengely közötti távolság (keréksugár).
Probléma a csúszó súrlódási erővel
Ismert, hogy egy fahasáb egy ferde fasík szélén van. A sík a horizonthoz képest 40o szögben dől el. Tudva, hogy a csúszósúrlódási együttható 0,4, a sík hossza 1 méter, a rúd tömege pedig 0,5 kg-nak felel meg, meg kell találni a csúszósúrlódási súrlódást.
Számítsa ki a csúszósúrlódási erőt. Ez egyenlő:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Akkor a megfelelő A munka a következő lesz:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Gördülési súrlódási probléma
Ismerhető, hogy a kerék egy ideig végiggurult az úton, és megállt. A kerék átmérője 45 cm A kerék megállás előtti fordulatszáma 100. A 0,03 gördülési együtthatót figyelembe véve meg kell találni, hogy mekkora a gördülési súrlódási erő munkája. A kerék tömege 5 kg.
Először is számítsuk ki a gördülési súrlódási nyomatékot:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Ha a kerék által megtett fordulatok számát megszorozzuk 2pi radiánnal, akkor megkapjuk a kerék θ forgásszögét. Ekkor a munka képlete:
A=-Mθ=-M2pin.
Ahol n a fordulatok száma. A feltételből az M nyomatékot és az n számot behelyettesítve megkapjuk a szükséges munkát: A=- 207,87 J.
