De ce sună o coardă de vioară când se cântă cu un arc? La urma urmei, arcul se mișcă uniform, iar vibrațiile corzii sunt periodice. Și cum accelerează o mașină și ce forță o încetinește la frânare? De ce „derapează” mașina pe un drum alunecos? Legile frecării oferă răspunsuri la toate acestea și la multe alte întrebări importante legate de mișcarea corpurilor.
În secolul al XVIII-lea. Fizicianul francez Coulomb a descoperit legea conform căreia forța de frecare între corpurile solide nu depinde de aria de contact, ci este proporțională cu forța N care stoarce corpurile:
Coeficientul de frecare k depinde numai de proprietățile suprafețelor de frecare și variază de obicei între 0,5 și 0,15. Deși de atunci au fost înaintate multe ipoteze pentru a explica această lege, încă nu există o teorie completă a forțelor de frecare. Frecarea este determinată de proprietățile suprafeței solidelor și acestea sunt foarte complexe și nu au fost încă explorate pe deplin.
Suprafața unui corp solid are de obicei neregularități. De exemplu, chiar și în metalele foarte bine lustruite, „muntele” și „golurile” de 100-1000 A sunt vizibile într-un microscop electronic. Când corpurile sunt comprimate, contactul are loc numai în locurile cele mai înalte, iar zona de contact real este mult mai mică decât suprafața totală a suprafețelor de contact. Presiunea în punctele de contact poate fi foarte mare, iar acolo are loc deformarea plastică. În acest caz, aria de contact crește, iar presiunea scade. Aceasta continuă până când presiunea atinge o anumită valoare, la care se oprește deformarea.
Prin urmare, aria de contact reală S se dovedește a fi proporțională cu forța de compresiune: .
La punctul de contact acționează forțele de coeziune moleculară (se știe, de exemplu, că suprafețele metalice foarte curate și netede se lipesc una de cealaltă). Astfel, forța de frecare se dovedește a fi proporțională cu N, iar coeficientul de proporționalitate depinde de proprietățile suprafețelor.
Acest model al forțelor de frecare uscată (așa-numita frecare între solide) este aparent apropiat de situația reală în metale. Cu toate acestea, în alte cazuri, imaginea este mai puțin clară și, până acum, nimeni nu a putut să calculeze teoretic care este coeficientul de frecare.
Legea lui Coulomb determină valoarea maximă a forței de frecare. Dacă un corp, de exemplu, se află pur și simplu pe o suprafață orizontală, atunci forța de frecare nu acționează asupra lui. Frecarea apare atunci când încercați să mutați un corp, să-i aplicați forță. Atâta timp cât valoarea acestei forțe nu depășește valoarea , corpul rămâne în repaus, iar forța de frecare este egală ca mărime și opusă ca direcție forței aplicate. Apoi va începe mișcarea. Astfel, este forța maximă de frecare statică.
Poate părea surprinzător, dar forța de frecare statică este cea care accelerează mașina. La urma urmei, atunci când mașina se mișcă, roțile nu alunecă în raport cu șosea și apare o forță de frecare statică între anvelope și suprafața drumului. Este ușor de observat (Fig. 1a) că este îndreptat în direcția de mișcare a vehiculului. Mărimea acestei forțe nu poate depăși valoarea . Prin urmare, dacă apăsați puternic gazul pe un drum alunecos, mașina va începe să alunece. Dar dacă apăsați frâna, atunci rotația roților se va opri și mașina va aluneca de-a lungul drumului. Forța de frecare își va schimba direcția (Fig. 1.6) și începe să încetinească mașina.
Forța de frecare în timpul alunecării corpurilor solide depinde nu numai de proprietățile suprafețelor și de forța de presiune (această dependență este aceeași calitativ ca pentru frecarea statică), ci și de viteza de mișcare. Adesea, cu o creștere a vitezei, forța de frecare mai întâi scade brusc, apoi începe să crească din nou (Fig. 1c).
Această caracteristică importantă a forței de frecare de alunecare explică doar de ce sună coarda viorii. Inițial, nu există alunecare între arc și coardă, iar coarda este capturată de arc (Fig. 2). Când forța de frecare statică atinge valoarea maximă, coarda se rupe, iar apoi vibrează aproape ca și când ar fi liberă, apoi este din nou capturată de arc etc.
Vibrații similare, dar deja dăunătoare pot apărea atunci când metalul este prelucrat pe un strung din cauza frecării dintre așchiul care este îndepărtat și freză (Fig. 3). Și dacă arcul este frecat cu colofoniu pentru a face dependența forței de frecare de viteză mai ascuțită, atunci atunci când prelucrați metalul, trebuie să faceți invers (alegeți o formă specială de tăietor, lubrifiant etc.). Așa că este important să cunoașteți legile, fricțiunile și să le puteți folosi.
Pe lângă frecarea uscată, există și așa-numita frecare lichidă, care apare atunci când solidele se mișcă în lichide și gaze și este asociată cu vâscozitatea acestora. Forțele de frecare a fluidului sunt proporționale cu viteza de mișcare și dispar atunci când corpul se oprește. Prin urmare, într-un lichid, este posibil să faci mișcarea unui corp aplicând chiar și o forță foarte mică. De exemplu, o persoană poate pune în mișcare o șlep grea pe apă, împingând fundul cu un stâlp, dar pe uscat, desigur, nu poate deplasa o astfel de încărcătură. Această caracteristică importantă a forțelor de frecare fluide explică, de exemplu, de ce o mașină derapează pe un drum umed. Frecarea devine lichidă și chiar și micile denivelări ale drumului care creează forțe laterale fac mașina să „derapeze”.
Nu există încă o versiune HTML a lucrării.
Documente similare
Forțe care apar între corpuri în contact cu mișcarea lor relativă. Determinarea mărimii și direcției forței de frecare de alunecare, legea Amonton-Coulomb. Tipuri de frecare în mecanisme și mașini. Prindeți suprafața ca mijloc de mișcare.
prezentare, adaugat 16.12.2014
Caracterizarea metodelor aproximative de determinare a coeficientului de frecare de alunecare, caracteristici ale calculului acestuia pentru diferite materiale. Valoarea și calculul forței de frecare conform legii lui Coulomb. Dispozitivul și principiul de funcționare al instalației pentru determinarea coeficientului de frecare.
munca de laborator, adaugat 01.12.2010
Istoria apariției forței de frecare - procesul de interacțiune a corpurilor în timpul mișcării (deplasării) lor relative sau când un corp se mișcă într-un mediu gazos sau lichid. Apariția forțelor de frecare de alunecare și repaus la joncțiunea corpurilor învecinate, metode de reducere.
rezumat, adăugat 30.07.2015
Cauza forței de frecare și exemplele acesteia: mișcarea axei roții, o minge care se rostogolește pe o podea orizontală. Formule pentru calcularea forței de frecare în fizică. Rolul forței de frecare în viața de pe Pământ: punerea în aplicare a mersului, rotația roților motrice ale echipajului.
prezentare, adaugat 16.01.2011
Forțe gravitaționale, electromagnetice și nucleare. Interacțiunea particulelor elementare. Conceptul de gravitație și gravitație. Determinarea forței elastice și a principalelor tipuri de deformare. Caracteristici ale forțelor de frecare și ale forțelor de repaus. Manifestări ale frecării în natură și tehnologie.
prezentare, adaugat 24.01.2012
Forța de frecare ca forță care decurge din contactul corpurilor, îndreptată de-a lungul limitei de contact și împiedicând mișcarea relativă a corpurilor. Cauzele frecării. Forța de frecare de repaus, alunecare și rostogolire. Aplicarea lubrifianților și a rulmenților.
prezentare, adaugat 11.12.2013
Frecarea ca proces de interacțiune a corpurilor solide cu mișcarea relativă sau cu mișcarea unui corp solid într-un mediu gazos sau lichid. Tipuri de frecare, calcul al frecării statice, alunecare și rulare. Calculul coeficienților de frecare pentru diverse perechi de suprafețe.
lucrare practica, adaugata 05.10.2010
Frecare în macro- și nanolume. Diferența fundamentală dintre forțele de frecare și forțele de aderență. Mișcarea unui corp rigid într-un mediu lichid. Principalele tipuri de galaxii sunt eliptice, spirale și neregulate. Structura spațială a Universului. Principiul relativității lui Galileo.
prezentare, adaugat 29.09.2013
Forța de frecare ca forță care decurge din contactul corpurilor, îndreptată de-a lungul limitei de contact și împiedicând mișcarea relativă a corpurilor. Cauzele frecării. Rolul forței de frecare în viața de zi cu zi, în tehnologie și în natură. Frecare nocivă și benefică.
prezentare, adaugat 02.09.2014
Definiţia translational motion. Acțiune și reacție. Direcția forței. Forța de frecare statică și forța de frecare uscată. Forțele de atracție reciprocă. Povestea modului în care „Lebăda, Racul și Știuca au preluat încărcătura bagajelor” din punct de vedere al fizicii.
Frecare - un ansamblu de fenomene care provoacă rezistență la mișcarea între ele a corpurilor macroscopice (frecare externă) sau a elementelor aceluiași corp (frecare internă), în care energia mecanică este disipată în principal sub formă de căldură. Frecarea externă are loc la interfața dintre două corpuri solide. Frecarea internă are loc, în curgerile fluidelor sau în timpul deformării unui corp solid, între părți care se amestecă între ele.
Frecare externă (frecare)- fenomenul de rezistenţă la mişcarea relativă care apare între două corpuri în zonele de contact ale suprafeţelor lor, tangenţial la acestea. (GOST 2823-94)
1. Tipuri de frecare externă
În prezența mișcării relative a două corpuri în contact unul cu celălalt, forțele de frecare care apar în acest caz pot fi împărțite în:
2. Natura fizică
Natura fizică a frecării nu este pe deplin înțeleasă. Există diverse școli științifice care interpretează natura frecării din diferite poziții, de exemplu, din punctul de vedere al fizicii metalelor, naturii electrice etc.
Cantitativ, manifestarea frecării între corpurile solide este descrisă de forța de frecare.
Fenomenul de frecare internă în lichide și gaze se numește vâscozitate.
3. Disiparea energiei
În timpul frecării, energia mișcării mecanice macroscopice este convertită în energia mișcării microscopice a atomilor și moleculelor. Omenirea a învățat să folosească acest efect pentru a face foc.
4. Electrificarea prin frecare
Citiți mai multe în articol Efect triboelectricÎn timpul frecării, suprafețele multor corpuri sunt încărcate, ceea ce indică natura electrostatică a frecării. Acest proces este folosit pentru a crea încărcături statice. Un exemplu comun de astfel de electrificare prin frecare în lumea modernă este electrificarea tamburului în fotocopiatoare. Cu ajutorul electrificării prin frecare se pot genera tensiuni foarte mari, ca de exemplu în generatorul electrostatic Van de Graaff.
5. Lubrifianți
Distinge frecare fără lubrifiant(frecare uscată) și frecare cu lubrifiant, introdus în zona de frecare. Pentru a reduce frecarea, diverse
DEFINIȚIE
Din a doua ecuație:
Forța de frecare:
Înlocuind expresia forței de frecare în prima ecuație, obținem:
Când frânați până la o oprire completă, viteza autobuzului scade de la o valoare la zero, astfel încât autobuzul:
Echivalând părțile corecte ale rapoartelor pentru accelerația autobuzului în timpul frânării de urgență, obținem:
unde este timpul până la oprirea autobuzului:
Accelerația gravitațională m/s
Înlocuind valorile numerice ale mărimilor fizice în formulă, calculăm:
EXEMPLUL 2
| Exercițiu | Un corp mic este plasat pe un plan înclinat făcând un unghi cu orizontul și eliberat. Ce distanță va parcurge corpul în 3 s dacă coeficientul de frecare dintre el și suprafață este 0,2? |
| Soluţie | Să facem un desen și să indicăm toate forțele care acționează asupra corpului.
Corpul este acționat de forța gravitației, forța de reacție a suportului și forța de frecare Alegem un sistem de coordonate, așa cum se arată în figură, și proiectăm această egalitate vectorială pe axa de coordonate:
Din a doua ecuație: |
- Al treilea tip de forțe care sunt tratate în mecanică sunt forțele de frecare. Forțele de frecare, ca și forțele de elasticitate, sunt de natură electromagnetică, adică forțele de frecare se bazează pe forțele electrice ale interacțiunii moleculelor. Principala caracteristică a forțelor de frecare, care le diferențiază de forțele gravitaționale și de forțele elastice, este că depind de viteza de mișcare a corpurilor unul față de celălalt.
Să ne familiarizăm mai întâi cu forțele de frecare dintre suprafețele solidelor. Aceste forțe apar atunci când corpurile sunt în contact direct și sunt întotdeauna direcționate de-a lungul suprafețelor de contact, spre deosebire de forțele elastice direcționate perpendicular pe aceste suprafețe. Forța de frecare apare atunci când un corp se mișcă de-a lungul suprafeței altuia, dar poate exista între corpuri solide învecinate atunci când aceste corpuri sunt nemișcate unul față de celălalt. Forțele de frecare împiedică întotdeauna mișcarea relativă a corpurilor.
Natura frecării
Motivul pentru care o carte nu va aluneca de pe o masă ușor înclinată este din cauza rugozității suprafeței mesei și a copertei cărții. Această rugozitate este vizibilă la atingere și la microscop se poate observa că suprafața unei mese solide seamănă mai ales cu o țară muntoasă. Din același motiv, calul trebuie să facă mult efort pentru a muta o sarcină grea de la locul său (Fig. 3.31). Nenumărate proeminențe se lipesc unele de altele, se deformează și împiedică alunecarea cărții sau încărcăturii. Astfel, forța de frecare statică este cauzată de aceleași forțe de interacțiune moleculară ca forța elastică obișnuită.
Când un corp alunecă peste suprafața altuia, tuberculii se „așesc” și rup legăturile moleculare care nu sunt capabile să reziste la sarcina crescută. Nu este dificil de detectat „ciobirea” tuberculilor: rezultatul unei astfel de „ciobiri” este uzura pieselor de frecare.
S-ar părea că cu cât suprafețele sunt lustruite mai atent, cu atât ar trebui să fie mai mică forța de frecare. Într-o anumită măsură, așa este. Măcinarea reduce, de exemplu, forța de frecare dintre două bare de oțel, dar nu la infinit. Odată cu o creștere suplimentară a netezimii suprafețelor, forța de frecare începe să crească. Ideea aici este următoarea.
Pe măsură ce suprafețele sunt netezite, acestea se potrivesc din ce în ce mai aproape una de cealaltă. Cu toate acestea, atâta timp cât înălțimea neregulilor depășește mai multe raze moleculare, nu există forțe de interacțiune între moleculele suprafețelor adiacente (cu excepția denivelărilor în sine). La urma urmei, acestea sunt forțe cu rază foarte scurtă de acțiune. Acțiunea lor se extinde pe distanțe de mai multe raze moleculare. Doar atunci când se realizează o anumită perfecțiune a șlefuirii, suprafețele se vor apropia atât de mult încât forțele de atracție (aderență) ale moleculelor vor acoperi o parte semnificativă a suprafeței de contact a barelor. Aceste forțe vor începe să prevină deplasarea barelor una față de alta, ceea ce duce la o creștere a forței de frecare statică.
Când barele netede alunecă, legăturile moleculare dintre moleculele de pe suprafața barelor sunt rupte, la fel cum legăturile din tuberculi înșiși sunt distruse pe suprafețele aspre. Ruperea legăturilor moleculare este principalul lucru care distinge forțele de frecare de forțele elastice, în cazul în care astfel de rupturi nu apar. De aceea forțele de frecare depind de viteză.
Mai jos luăm în considerare mai detaliat tipurile individuale de forțe de frecare.
Frecarea repausului
Să presupunem că trebuie să mutați un dulap. Acționați asupra lui cu o forță îndreptată orizontal, dar dulapul nu se mișcă.
Acest lucru este posibil numai dacă forța aplicată dulapului este compensată (echilibrată) de o altă forță. Această forță, egală în valoare absolută cu forța aplicată de tine și îndreptată opus acesteia, este forța de frecare statică.
Forța de frecare statică este forța care acționează asupra unui corp dat din partea altui corp în contact cu acesta de-a lungul suprafeței de contact a corpurilor în cazul în care corpurile sunt în repaus unul față de celălalt.
Începi să împingi dulapul mai tare, dar acesta continuă să stea pe loc. Aceasta înseamnă că și forța de frecare statică crește în același timp.
Forța de frecare statică este egală în valoare absolută și direcționată opus forței aplicate corpului paralel cu suprafața de contact cu un alt corp. Dacă nicio forță nu acționează paralel cu această suprafață, atunci forța de frecare statică este zero.
Prin creșterea forței care acționează asupra dulapului, în cele din urmă îl vei muta din loc. În consecință, forța de frecare statică poate varia de la zero la o anumită valoare maximă. Valoarea maximă a forței de frecare la care alunecarea nu are loc încă se numește forță de frecare statică maximă. Dacă forța care acționează asupra unui corp în repaus este cel puțin puțin mai mare decât forța maximă de frecare statică, atunci corpul începe să alunece.
Să aflăm de ce depinde forța maximă de frecare statică. Pentru a face acest lucru, puneți un bloc greu de lemn pe masă și începeți să îl trageți cu un dinamometru (Fig. 3.32). Vor fi înregistrate citirile dinamometrului în momentul în care bara începe să se miște. Ele corespund forței maxime de frecare statică (modulul acesteia). Vom încărca bara cu greutăți, mărind greutatea barei, prin urmare, și forța de reacție a suportului, de două, trei ori etc. De reținut că modulul forței maxime de frecare statică F max crește și el de două, trei ori etc. .
Orez. 3.32
Experiența noastră și multe alte experimente similare ne permit să concluzionam că valoarea maximă a modulului forței statice de frecare este direct proporțională cu modulul forței de reacție a suportului:
Aici μ este coeficientul de proporționalitate, numit coeficient de frecare statică.
Coeficientul de frecare statică depinde de materialul din care sunt realizate corpurile de contact, de calitatea tratamentului suprafeței lor, dar, după cum arată experiența, nu depinde de zona de contact a acestora. Dacă punem blocul pe o față mai mică, obținem aceeași valoare pentru coeficientul de frecare statică.
În experimentul prezentat în figura 3.32, forța de frecare statică este aplicată nu numai barei, ci și mesei. Într-adevăr, dacă masa acţionează asupra barei cu forţa de frecare statică tr1 îndreptată spre stânga, atunci bara acţionează asupra mesei cu forţa de frecare tr2 îndreptată spre dreapta, în timp ce, conform legii a treia a lui Newton,
De ce forța de frecare statică poate varia de la zero la o valoare maximă egală cu μN? Iată cum merge. Când o forță este aplicată unui corp, aceasta se schimbă ușor (imperceptibil pentru ochi). Această deplasare continuă până când rugozitatea microscopică a suprafețelor este situată în așa fel încât, prinzându-se unele de altele, vor duce la apariția unei forțe de frecare care echilibrează forța. Cu o creștere a forței, corpul se va mișca din nou ușor, astfel încât cele mai mici neregularități ale suprafeței se vor lipi unele de altele într-un mod diferit, iar forța de frecare va crește. Doar la F > F max, pentru orice aranjare a suprafețelor între ele, forța de frecare nu este capabilă să echilibreze forța și începe alunecarea.
Frecare de alunecare
Atunci când un corp alunecă pe suprafața altui corp, asupra lui acționează și forța de frecare - forța de frecare de alunecare. Acest lucru poate fi verificat prin experiență. Un dinamometru atașat la o bară cu o mișcare uniformă a barei de-a lungul unei suprafețe orizontale (Fig. 3.33) arată că o forță elastică constantă acționează asupra barei din partea arcului dinamometrului. Conform celei de-a doua legi a lui Newton, cu o mișcare uniformă a barei (accelerație a \u003d 0), rezultanta tuturor forțelor aplicate acesteia este zero. Prin urmare, pe lângă forța elastică (forța gravitației m și forța de reacție a suportului sunt echilibrate), în timpul mișcării uniforme, asupra barei acționează o forță, egală ca modul forței elastice, dar îndreptată opus acesteia. Această forță este forța de frecare de alunecare.
Orez. 3.33
Forța de frecare de alunecare, precum și forța de frecare statică maximă, depind de forța de reacție a suportului, de materialul corpurilor de frecare și de starea suprafețelor acestora. Este esențial ca forța de frecare de alunecare să depindă și de viteza relativă a corpurilor. În primul rând, forța de frecare de alunecare este întotdeauna direcționată opus vitezei relative a corpurilor în contact. Acest lucru poate fi explicat folosind Figura 3.34, care prezintă două corpuri de frecare.
Orez. 3.34
Corpul 1 se deplasează în raport cu corpul 2 cu viteza 1, 2 îndreptată spre dreapta. Forța de frecare tr1 îndreptată spre stânga este aplicată corpului 1. Corpul 2 se deplasează în raport cu corpul 1 spre stânga cu o viteză de 2, 1, iar forța de frecare mp2 aplicată acestuia este îndreptată spre dreapta.
În al doilea rând, modulul forței de frecare de alunecare depinde și de modulul vitezei relative a corpurilor de frecare. Dependența modulului forței de frecare de alunecare de modulul vitezei relative se stabilește experimental. Această dependență este prezentată în figura 3.35. La viteze relative mici de mișcare a corpurilor, forța frecării de alunecare diferă puțin de forța maximă a frecării statice. Prin urmare, aproximativ, poate fi considerat constant și egal cu forța de frecare statică:
Orez. 3.35
Coeficienții de frecare pentru unele materiale sunt prezentați în Tabelul 5.
Tabelul 5
Rețineți că modulul forței de frecare tr este de obicei mai mic decât modulul forței de reacție a suportului. Prin urmare, coeficientul de frecare de alunecare este mai mic decât unitatea. Din acest motiv, orice corp este mai ușor de târât decât de ridicat sau transportat.
Forța de frecare depinde de viteza relativă a corpurilor. Aceasta este principala sa diferență față de forțele de gravitație și elasticitate, care depind doar de coordonate.
Întrebări pentru autoexaminare
- Un corp cu masa m = 5 kg se află pe o suprafață orizontală. Coeficientul de frecare μ = 0,2. Asupra corpului acționează o forță orizontală F = 5 N. Care este forța de frecare dacă corpul rămâne în repaus?
