V posebnem delu fizike – dinamiki, ko preučujejo gibanje teles, upoštevajo sile, ki delujejo na gibajoči se sistem. Slednji lahko opravljajo tako pozitivno kot negativno delo. V tem članku razmislite, kaj je delo sile trenja in kako se izračuna.
Koncept dela v fiziki
V fiziki se pojem "delo" razlikuje od običajne ideje te besede. Delo razumemo kot fizikalno količino, ki je enaka skalarnemu produktu vektorja sile in vektorja premika telesa. Predpostavimo, da obstaja nek predmet, na katerega deluje sila F¯. Ker nanj ne deluje nobena druga sila, bo njegov vektor premika l¯ sovpadal v smeri z vektorjem F¯. Skalarni produkt teh vektorjev bo v tem primeru ustrezal produktu njihovih modulov, to je:
A=(F¯l¯)=Fl.
Vrednost A je delo, ki ga opravi sila F¯, da premakne predmet za razdaljo l. Ob upoštevanju dimenzij vrednosti F in l ugotovimo, da se delo meri v newtonih na meter (Nm) v sistemu SI. Vendar pa enotaNm ima svoje ime - to je džul. To pomeni, da je koncept dela enak konceptu energije. Z drugimi besedami, če sila 1 newton premakne telo za 1 meter, so ustrezni stroški energije 1 joul.
Kakšna je sila trenja?
Proučevanje vprašanja dela sile trenja je možno, če veste, o kakšni sili govorimo. Trenje v fiziki je proces, ki preprečuje kakršno koli premikanje enega telesa po površini drugega, ko se te površine dotaknejo.
Če upoštevamo samo trdna telesa, potem zanje obstajajo tri vrste trenja:
- počitek;
- slip;
- rolling.
Te sile delujejo med kontaktnimi površinami in so vedno usmerjene proti gibanju teles.
Trenje mirovanja onemogoča samo gibanje, trenje drsenja se kaže v procesu gibanja, ko ploskvi teles drsijo druga čez drugo, kotalno trenje pa obstaja med telesom, ki se kotali po površini, in samo površino.
Primer delovanja statičnega trenja je avtomobil, ki je na pobočju na ročni zavori. Drsno trenje se kaže, ko se smučar premika po snegu ali drsalec po ledu. Končno, kotalno trenje deluje, medtem ko se kolo avtomobila premika po cesti.
Sile za vse tri vrste trenja se izračunajo po naslednji formuli:
Ft=µtN.
Tukaj je N podporna reakcijska sila, µt je koeficient trenja. Sila Nprikazuje velikost udarca podpore na telo pravokotno na ravnino površine. Kar zadeva parameter µt, se meri eksperimentalno za vsak par materialov za drgnjenje, na primer les-les, jeklo-sneg itd. Izmerjeni rezultati so zbrani v posebnih tabelah.
Za vsako silo trenja ima koeficient µt svojo vrednost za izbrani par materialov. Tako je koeficient statičnega trenja večji od koeficienta drsnega trenja za nekaj deset odstotkov. Po drugi strani je kotalni koeficient za 1-2 reda velikosti manjši kot pri drsenju.
Delo tornih sil
Zdaj, ko ste se seznanili s koncepti dela in z vrstami trenja, lahko greste neposredno na temo članka. Razmislimo po vrstnem redu vse vrste sil trenja in ugotovimo, kakšno delo opravljajo.
Začnimo s statičnim trenjem. Ta vrsta se kaže, ko se telo ne premika. Ker ni gibanja, je njegov vektor premika l¯ enak nič. Slednje pomeni, da je tudi delo sile statičnega trenja enako nič.
Drsno trenje po definiciji deluje le, ko se telo giblje v prostoru. Ker je sila te vrste trenja vedno usmerjena proti gibanju telesa, pomeni, da opravlja negativno delo. Vrednost A se lahko izračuna s formulo:
A=-Ftl=-µtNl.
Delo drsne sile trenja je usmerjeno v upočasnitev gibanja telesa. Kot rezultat tega dela se mehanska energija telesa pretvori v toploto.
Trenje kotaljenja, tako kot drsenje, vključuje tudi gibanje telesa. Sila kotalnega trenja opravlja negativno delo in upočasni začetno vrtenje telesa. Ker govorimo o vrtenju telesa, je priročno izračunati vrednost dela te sile z delom njene količine. Ustrezna formula je zapisana kot:
A=-Mθ kjer je M=FtR.
Tukaj je θ kot vrtenja telesa kot posledica vrtenja, R je razdalja od površine do osi vrtenja (polmer kolesa).
Težava s silo drsnega trenja
Znano je, da je leseni blok na robu nagnjene lesene ravnine. Letalo je nagnjeno k obzorju pod kotom 40o. Če vemo, da je koeficient drsnega trenja 0,4, dolžina ravnine 1 meter in masa palice ustreza 0,5 kg, je treba najti delo trenja drsenja.
Izračunaj silo drsnega trenja. Enako je:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Potem bo ustrezno delo A:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Težava s trenjem pri kotaljenju
Znano je, da se je kolo za nekaj časa zakotalilo po cesti in se ustavilo. Premer kolesa je 45 cm Število vrtljajev kolesa pred ustavitvijo je 100. Ob upoštevanju kotalnega koeficienta, ki je enak 0,03, je treba ugotoviti, čemu je enako delo sile trenja kotaljenja. Masa kolesa je 5 kg.
Najprej izračunajmo kotalni moment trenja:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Če število vrtljajev, ki jih naredi kolo, pomnožimo z radiani 2pi, dobimo kot vrtenja kolesa θ. Potem je formula za delo:
A=-Mθ=-M2pin.
Kjer je n število vrtljajev. Če zamenjamo trenutek M in število n iz pogoja, dobimo zahtevano delo: A=- 207,87 J.
