Vsak študent ve, da pri stiku dveh trdnih površin nastane tako imenovana sila trenja. V tem članku razmislimo, kaj je to, pri čemer se osredotočimo na točko uporabe sile trenja.
Kakšne vrste sile trenja obstajajo?
Preden razmislimo o točki delovanja sile trenja, se je treba na kratko spomniti, kakšne vrste trenja obstajajo v naravi in tehnologiji.
Začnimo razmišljati o statičnem trenju. Ta tip označuje stanje trdnega telesa v mirovanju na neki površini. Trenje mirovanja preprečuje kakršen koli premik telesa iz stanja mirovanja. Na primer, zaradi delovanja prav te sile nam je težko premakniti omaro, ki stoji na tleh.
Drsno trenje je druga vrsta trenja. Pojavlja se v primeru stika med dvema površinama, ki drsi ena na drugo. Drsno trenje nasprotuje gibanju (smer sile trenja je nasprotna hitrosti telesa). Osupljiv primer njegovega delovanja je smučar ali drsalec, ki drsi po ledu na snegu.
Nazadnje je tretja vrsta trenja kotaljenje. Vedno obstaja, ko se eno telo kotali po površini drugega. Na primer, kotaljenje kolesa ali ležajev je odličen primer, kjer je kotalno trenje pomembno.
Prva dva od opisanih vrst nastaneta zaradi hrapavosti na drgnjenih površinah. Tretja vrsta nastane zaradi histereze deformacije kotalnega telesa.
Točke uporabe sil drsnega in mirnega trenja
Zgoraj je bilo rečeno, da statično trenje preprečuje zunanjo delujočo silo, ki teži k premikanju predmeta vzdolž kontaktne površine. To pomeni, da je smer sile trenja nasprotna smeri zunanje sile, ki je vzporedna s površino. Točka uporabe obravnavane sile trenja je v območju stika med dvema površinama.
Pomembno je razumeti, da sila statičnega trenja ni konstantna vrednost. Ima največjo vrednost, ki se izračuna po naslednji formuli:
Ft=µtN.
Vendar se ta največja vrednost pojavi šele, ko se telo začne premikati. V vsakem drugem primeru je sila statičnega trenja po absolutni vrednosti popolnoma enaka vzporedni površini zunanje sile.
Kar zadeva točko delovanja sile drsnega trenja, se ne razlikuje od tiste pri statičnem trenju. Ko govorimo o razliki med statičnim in drsnim trenjem, je treba opozoriti na absolutni pomen teh sil. Tako je sila drsnega trenja za dani par materialov konstantna vrednost. Poleg tega je vedno manjša od največje sile statičnega trenja.
Kot vidite, točka uporabe sil trenja ne sovpada s težiščem telesa. To pomeni, da obravnavane sile ustvarijo moment, ki teži k prevrnitvi drsnega telesa naprej. Slednje je mogoče opaziti, ko kolesar močno zavira s sprednjim kolesom.
Trenje kotaljenja in njegova točka uporabe
Ker je fizični vzrok kotalnega trenja drugačen od tistega za zgoraj obravnavane vrste trenja, ima točka uporabe sile kotalnega trenja nekoliko drugačen značaj.
Predpostavimo, da je kolo avtomobila na pločniku. Očitno je, da je to kolo deformirano. Površina njegovega stika z asf altom je enaka 2dl, kjer je l širina kolesa, 2d dolžina bočnega stika kolesa in asf alta. Sila kotalnega trenja se v svojem fizičnem bistvu kaže v obliki reakcijskega momenta podpore, usmerjene proti vrtenju kolesa. Ta trenutek se izračuna na naslednji način:
M=Nd
Če ga delimo in pomnožimo s polmerom kolesa R, dobimo:
M=Nd/RR=FtR pri čemer je Ft=Nd/R
Tako je sila kotalnega trenja Ft pravzaprav reakcija podpore, ki ustvarja moment sile, ki teži k upočasnitvi vrtenja kolesa.
Točka uporabe te sile je usmerjena navpično navzgor glede na površino ravnine in je premaknjena v desno od središča mase za d (ob predpostavki, da se kolo premika od leve proti desni).
Primer reševanja problemov
Akcijakakršna koli sila trenja nagiba k upočasnitvi mehanskega gibanja teles, hkrati pa pretvarja njihovo kinetično energijo v toploto. Rešimo naslednji problem:
bar drsi po nagnjeni površini. Pospešek njegovega gibanja je treba izračunati, če je znano, da je koeficient za drsenje 0,35, nagibni kot površine pa 35o.
Premislimo, katere sile delujejo na palico. Najprej je gravitacijska komponenta usmerjena navzdol vzdolž drsne površine. Enako je:
F=mgsin(α)
Drugič, vzdolž ravnine navzgor deluje stalna sila trenja, ki je usmerjena proti vektorju pospeška telesa. Lahko se določi s formulo:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Potem bo Newtonov zakon za palico, ki se premika s pospeškom a, dobil obliko:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Če podatke zamenjamo z enakostjo, dobimo, da je a=2,81 m/s2. Upoštevajte, da ugotovljeni pospešek ni odvisen od mase palice.
