Sila trenja je fizična količina, ki preprečuje kakršno koli gibanje telesa. Praviloma se pojavi, ko se telesa gibljejo v trdni, tekoči in plinasti snovi. Različne vrste sil trenja igrajo pomembno vlogo v človekovem življenju, saj preprečujejo preveliko povečanje hitrosti teles.
Razvrstitev sil trenja
V splošnem primeru so vse vrste sil trenja opisane s tremi vrstami: sila trenja pri drsenju, kotaljenju in mirovanju. Prva je statična, druga dva pa dinamična. Trenje v mirovanju preprečuje, da bi se telo začelo premikati, pri drsenju pa trenje obstaja, ko se telo med gibanjem drgne ob površino drugega telesa. Trenje kotaljenja se pojavi, ko se okrogel predmet premika. Vzemimo primer. Osupljiv primer te vrste (sila kotalnega trenja) je gibanje avtomobilskih koles po asf altu.
Narava sil trenja je obstoj mikroskopskih nepopolnosti med drgnjejočimi se površinami dveh teles. Iz tega razloga nastala sila, ki deluje napredmet, ki se premika ali se začne premikati, je sestavljen iz vsote sile normalne reakcije nosilca N, ki je usmerjena pravokotno na površino kontaktnih teles, in sile trenja F. Slednja je usmerjena vzporedno z kontaktna površina in je nasprotna gibanju telesa.
Trenje med dvema trdima
Ko smo obravnavali vprašanje različnih vrst sil trenja, smo opazili naslednje vzorce za dve trdni telesi:
- Sila trenja je usmerjena vzporedno s podporno površino.
- Koeficient trenja je odvisen od narave kontaktnih površin, pa tudi od njihovega stanja.
- Največja sila trenja je premo sorazmerna z normalno silo ali podporno reakcijo, ki deluje med kontaktnimi površinami.
- Pri enakih telesih je sila trenja večja, preden se telo začne premikati, nato pa se zmanjša, ko se telo začne premikati.
- Koeficient trenja ni odvisen od kontaktne površine in praktično ni odvisen od hitrosti drsenja.
zakoni
S povzetkom eksperimentalnega gradiva o zakonih gibanja smo vzpostavili naslednje osnovne zakone glede trenja:
- Odpor proti drsenju med dvema telesoma je sorazmeren z normalno silo, ki deluje med njima.
- Odpor proti gibanju med drgnjenimi telesi ni odvisen od kontaktne površine med njimi.
Za prikaz drugega zakona lahko navedemo naslednji primer: če vzamete blok in ga premaknete z drsenjem po površini, potem je potrebna sila za takšno gibanjebo enak, ko bo blok s svojo dolgo stranjo ležal na površini in ko bo stal s svojim koncem.
Zakone o različnih vrstah sil trenja v fiziki je konec 15. stoletja odkril Leonard da Vinci. Nato so bili dolgo pozabljeni in šele leta 1699 jih je ponovno odkril francoski inženir Amonton. Od takrat se zakoni trenja nosijo po njegovem imenu.
Zakaj je sila trenja večja kot pri drsenju v mirovanju?
Ob upoštevanju več vrst sil trenja (mirovanja in drsenja) je treba upoštevati, da je sila statičnega trenja vedno manjša ali enaka zmnožku koeficienta statičnega trenja in reakcijske sile podpore. Koeficient trenja se za te drgne materiale določi eksperimentalno in vnese v ustrezne tabele.
Dinamična sila se izračuna na enak način kot statična sila. Samo v tem primeru se koeficient trenja uporablja posebej za drsenje. Koeficient trenja je običajno označen z grško črko Μ (mu). Tako je splošna formula za obe sili trenja: Ftr=ΜN, kjer je N podporna reakcijska sila.
Narava razlike med temi vrstami tornih sil ni natančno ugotovljena. Vendar pa večina znanstvenikov meni, da je sila statičnega trenja večja kot pri drsenju, saj lahko med njihovimi površinami nastanejo ionske vezi ali mikrofuzije posameznih točk površin, ko telesa nekaj časa mirujejo drug glede drugega. Ti dejavniki povzročajo povečanje statikeindikator.
Primer več vrst sil trenja in njihova manifestacija je bat v cilindru avtomobilskega motorja, ki je "spajan" na cilinder, če motor dlje časa ne deluje.
Horizontalno drsno telo
Dobimo enačbo gibanja za telo, ki se pod delovanjem zunanje sile Fin začne premikati po površini z drsenjem. V tem primeru na telo delujejo naslednje sile:
- Fv – zunanja sila;
- Ftr – sila trenja, ki je v nasprotni smeri od sile Fv;
- N je reakcijska sila podpore, ki je po absolutni vrednosti enaka teži telesa P in je usmerjena na površino, torej pod pravim kotom nanjo.
Ob upoštevanju smeri vseh sil zapišemo Newtonov drugi zakon za ta primer gibanja: Fv - Ftr=ma, kjer je m - telesna masa, a - pospešek gibanja. Če vemo, da je Ftr=ΜN, N=P=mg, kjer je g pospešek prostega padca, dobimo: Fv – Μmg=ma. Od tod, če izrazimo pospešek, s katerim se premika drsno telo, dobimo: a=F v / m – Μg.
Gibanje togega telesa v tekočini
Ko razmišljamo o tem, kakšne vrste sil trenja obstajajo, je treba omeniti pomemben pojav v fiziki, to je opis gibanja trdnega telesa v tekočini. V tem primeru govorimo o aerodinamičnem trenju, ki je določeno glede na hitrost telesa v tekočini. Obstajata dve vrsti gibanja:
- Kotogo telo se giblje z majhno hitrostjo, govorimo o laminarnem gibanju. Sila trenja pri laminarnem gibanju je sorazmerna s hitrostjo. Primer je Stokesov zakon za sferična telesa.
- Ko se gibanje telesa v tekočini zgodi s hitrostjo, ki je višja od določene mejne vrednosti, se okoli telesa začnejo pojavljati vrtinci iz tokov tekočine. Ti vrtinci ustvarjajo dodatno silo, ki ovira gibanje, in posledično je sila trenja sorazmerna s kvadratom hitrosti.
Narava sile kotalnega trenja
Ko govorimo o vrstah sil trenja, je običajno, da silo kotalnega trenja imenujemo tretja vrsta. Pojavi se, ko se telo kotali po določeni površini in pride do deformacije tega telesa in same površine. To pomeni, da v primeru absolutno nedeformabilnega telesa in površine nima smisla govoriti o sili kotalnega trenja. Poglejmo si podrobneje.
Koncept koeficienta kotalnega trenja je podoben kot pri drsenju. Ker med kotaljenjem ni zdrsa med površinami teles, je koeficient kotalnega trenja veliko manjši kot pri drsenju.
Glavni dejavnik, ki vpliva na koeficient, je histereza mehanske energije za vrsto kotalne sile trenja. Zlasti se kolo, odvisno od materiala, iz katerega je izdelano, pa tudi od obremenitve, ki jo nosi, med gibanjem elastično deformira. Ponavljajoči se cikli elastične deformacije vodijo do prenosa dela mehanske energije v toplotno energijo. Poleg tega zaradipoškodbe, stik kolesa in površine ima že nekaj končnega kontaktnega območja.
formula sile kotalnega trenja
Če uporabimo izraz za moment sile, ki vrti kolo, potem lahko dobimo, da je sila trenja kotaljenja Ftr.k.=Μ k N / R, tukaj je N reakcija podpore, R je polmer kolesa, Μк – koeficient kotalnega trenja. Tako je sila kotalnega trenja obratno sorazmerna s polmerom, kar pojasnjuje prednost velikih koles pred majhnimi.
Obrnjena sorazmernost te sile s polmerom kolesa kaže, da je v primeru dveh koles različnih polmerov, ki imata enako maso in sta izdelana iz istega materiala, kolo z večjim polmerom lažje pomik.
Razmerje valjanja
V skladu s formulo za to vrsto sile trenja dobimo, da ima koeficient kotalnega trenja Μk dimenzijo dolžine. Odvisno je predvsem od narave kontaktnih teles. Vrednost, ki je določena z razmerjem med koeficientom kotalnega trenja in polmerom, se imenuje kotalni koeficient, to je Ck=Μk / R je brezdimenzionalna količina.
Koeficient kotaljenja Ck je bistveno manjši od koeficienta drsnega trenja Μtr. Zato lahko pri odgovoru na vprašanje, katera vrsta sile trenja je najmanjša, varno imenujemo sila trenja kotaljenja. Zahvaljujoč temu dejstvu se izum kolesa šteje za pomemben korak v tehnološkem napredku.človeštvo.
Kotalno razmerje je specifično za sistem in je odvisno od naslednjih dejavnikov:
- trdota kolesa in površine (manjša ko je deformacija teles, ki se pojavi med gibanjem, nižji je kotalni koeficient);
- polmer kolesa;
- teža, ki deluje na kolo;
- kontaktna površina in njena oblika;
- viskoznost v območju stika med kolesom in površino;
- telesna temperatura
