Minden tanuló tudja, hogy amikor két szilárd felület érintkezik, úgynevezett súrlódási erő lép fel. Vizsgáljuk meg ebben a cikkben, hogy mi ez, a súrlódási erő alkalmazási pontjára összpontosítva.
Milyen súrlódási erők léteznek?
Mielőtt megvizsgálnánk a súrlódási erő alkalmazási pontját, röviden fel kell idéznünk, milyen típusú súrlódások léteznek a természetben és a technológiában.
Kezdjük figyelembe venni a statikus súrlódást. Ez a típus a szilárd test valamely felületen nyugvó állapotát jellemzi. A nyugalmi súrlódás megakadályozza, hogy a test elmozduljon a nyugalmi állapotából. Például éppen ennek az erőnek a hatására nehéz mozgatni egy földön álló szekrényt.
A csúszósúrlódás a súrlódás egy másik fajtája. Két egymáson csúszó felület érintkezésénél nyilvánul meg. A csúszósúrlódás ellentétes a mozgással (a súrlódási erő iránya ellentétes a test sebességével). Cselekvésének szembetűnő példája egy síelő vagy korcsolyázó, aki jégen csúszik a havon.
Végül a harmadik típusú súrlódás a gördülés. Mindig létezik, amikor az egyik test egy másik felületére gördül. Például a kerék vagy a csapágyak gördülése kiváló példa arra, amikor a gördülési súrlódás fontos.
A leírt típusok közül az első kettő a dörzsölő felületek érdessége miatt keletkezik. A harmadik típus a gördülő test deformációs hiszterézise miatt jön létre.
A csúszó és nyugalmi súrlódási erők alkalmazási pontjai
Fentebb elmondtuk, hogy a statikus súrlódás megakadályozza a külső hatóerőt, amely a tárgyat az érintkezési felület mentén mozgatja. Ez azt jelenti, hogy a súrlódási erő iránya ellentétes a felülettel párhuzamos külső erő irányával. A figyelembe vett súrlódási erő alkalmazási pontja a két felület érintkezési területén van.
Fontos megérteni, hogy a statikus súrlódási erő nem állandó érték. Ennek van egy maximális értéke, amelyet a következő képlettel számítanak ki:
Ft=µtN.
Ez a maximális érték azonban csak akkor jelenik meg, amikor a test elkezdi a mozgást. Minden más esetben a statikus súrlódási erő abszolút értékében pontosan egyenlő a külső erő párhuzamos felületével.
A csúszósúrlódási erő alkalmazási pontja nem különbözik a statikus súrlódási erő alkalmazási helyétől. A statikus és csúszósúrlódás közötti különbségről szólva meg kell jegyezni ezen erők abszolút jelentőségét. Így a csúszósúrlódási erő egy adott anyagpárra állandó érték. Ezenkívül mindig kisebb, mint a statikus súrlódás maximális ereje.
Amint látja, a súrlódási erők alkalmazási pontja nem esik egybe a test súlypontjával. Ez azt jelenti, hogy a vizsgált erők olyan nyomatékot hoznak létre, amely a csúszó testet előre billenti. Ez utóbbi akkor figyelhető meg, ha a kerékpáros erősen fékez az első kerékkel.
Gördülési súrlódás és alkalmazási pontja
Mivel a gördülési súrlódás fizikai oka eltér a fent tárgy alt súrlódási típusoktól, a gördülési súrlódási erő alkalmazási pontja kissé eltérő jellegű.
Tegyük fel, hogy az autó kereke a járdán van. Nyilvánvaló, hogy ez a kerék deformálódott. Az aszf alttal való érintkezési területe 2dl, ahol l a kerék szélessége, 2d a kerék és az aszf alt oldalirányú érintkezésének hossza. A gördülési súrlódás ereje a maga fizikai lényegében a kerék forgása ellen irányuló támasztónyomaték formájában nyilvánul meg. Ezt a pillanatot a következőképpen számítjuk ki:
M=Nd
Ha elosztjuk és megszorozzuk az R kerék sugarával, akkor a következőt kapjuk:
M=Nd/RR=FtR ahol Ft=Nd/R
Így az Ft gördülési súrlódási erő valójában a támasz reakciója, olyan nyomatékot hozva létre, amely a kerék forgását lassítja.
Ennek az erőnek a pontja függőlegesen felfelé irányul a sík felületéhez képest, és a tömegközépponttól d-vel jobbra tolódik (feltételezve, hogy a kerék balról jobbra mozog).
Példa problémamegoldásra
AkcióBármilyen súrlódási erő lelassítja a testek mechanikai mozgását, miközben mozgási energiájukat hővé alakítja. Oldjuk meg a következő problémát:
rúd ferde felületen csúszik. Ki kell számítani a mozgás gyorsulását, ha ismert, hogy a csúszási együttható 0,35, és a felület dőlésszöge 35o.
Vizsgáljuk meg, milyen erők hatnak a rúdra. Először a gravitációs komponenst lefelé irányítják a csúszófelület mentén. Ez egyenlő:
F=mgsin(α)
Másodszor, állandó súrlódási erő hat felfelé a sík mentén, amely a test gyorsulási vektora ellen irányul. Meghatározható a következő képlettel:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Akkor a Newton-törvény egy a gyorsulással mozgó rúdra a következő formában lesz:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Az adatokat egyenlőségbe behelyettesítve azt kapjuk, hogy a=2,81 m/s2. Vegye figyelembe, hogy a talált gyorsulás nem függ a rúd tömegétől.
