De kracht van wrijving is een fysieke grootheid die elke beweging van het lichaam verhindert. Het komt in de regel voor wanneer lichamen bewegen in vaste, vloeibare en gasvormige materie. Verschillende soorten wrijvingskrachten spelen een belangrijke rol in het menselijk leven, omdat ze een buitensporige toename van de snelheid van lichamen voorkomen.
Classificatie van wrijvingskrachten
In het algemeen worden alle soorten wrijvingskrachten beschreven door drie soorten: de wrijvingskracht van glijden, rollen en rusten. De eerste is statisch, de andere twee zijn dynamisch. Wrijving in rust verhindert dat het lichaam begint te bewegen, en bij het glijden ontstaat er wrijving wanneer het lichaam tijdens zijn beweging tegen het oppervlak van een ander lichaam wrijft. Rollende wrijving treedt op wanneer een rond voorwerp beweegt. Laten we een voorbeeld nemen. Een treffend voorbeeld van het type (rollende wrijvingskracht) is de beweging van autowielen op asf alt.
De aard van wrijvingskrachten is het bestaan van microscopisch kleine onvolkomenheden tussen de wrijvende oppervlakken van twee lichamen. Om deze reden is de resulterende kracht die inwerkt opeen object dat beweegt of begint te bewegen, bestaat uit de som van de kracht van de normale reactie van de steun N, die loodrecht op het oppervlak van de contacterende lichamen is gericht, en van de wrijvingskracht F. Deze laatste is evenwijdig aan de contactoppervlak en is tegengesteld aan de beweging van het lichaam.
Wrijving tussen twee vaste stoffen
Bij het beschouwen van de kwestie van verschillende soorten wrijvingskrachten, werden de volgende patronen waargenomen voor twee vaste lichamen:
- De wrijvingskracht is evenwijdig aan het steunoppervlak gericht.
- De wrijvingscoëfficiënt hangt af van de aard van de contactoppervlakken en van hun toestand.
- Maximale wrijvingskracht staat in directe verhouding tot de normaalkracht of steunreactie die tussen de contactoppervlakken inwerkt.
- Voor dezelfde lichamen is de wrijvingskracht groter voordat het lichaam begint te bewegen en neemt vervolgens af wanneer het lichaam begint te bewegen.
- De wrijvingscoëfficiënt is niet afhankelijk van het contactoppervlak en is praktisch niet afhankelijk van de glijsnelheid.
Wetten
Als we het experimentele materiaal over de bewegingswetten samenvatten, hebben we de volgende basiswetten met betrekking tot wrijving vastgesteld:
- De weerstand tegen het glijden tussen twee lichamen is evenredig met de normaalkracht die ertussen werkt.
- Weerstand tegen beweging tussen wrijvende lichamen is niet afhankelijk van het contactgebied tussen hen.
Om de tweede wet te demonstreren, kunnen we het volgende voorbeeld geven: als je een blok neemt en het verplaatst door over het oppervlak te schuiven, dan is de benodigde kracht voor zo'n bewegingzal hetzelfde zijn wanneer het blok met zijn lange zijde op het oppervlak ligt, en wanneer het met zijn uiteinde staat.
De wetten met betrekking tot verschillende soorten wrijvingskrachten in de natuurkunde werden aan het einde van de 15e eeuw ontdekt door Leonard da Vinci. Daarna werden ze lange tijd vergeten en pas in 1699 werden ze herontdekt door de Franse ingenieur Amonton. Sindsdien dragen de wrijvingswetten zijn naam.
Waarom is de wrijvingskracht groter dan die van glijden in rust?
Bij het overwegen van verschillende soorten wrijvingskrachten (rust en glijden), moet worden opgemerkt dat de statische wrijvingskracht altijd kleiner is dan of gelijk is aan het product van de statische wrijvingscoëfficiënt en de reactiekracht van de ondersteuning. De wrijvingscoëfficiënt wordt voor deze wrijvingsmaterialen experimenteel bepaald en in de desbetreffende tabellen ingevoerd.
Dynamische kracht wordt op dezelfde manier berekend als statische kracht. Alleen in dit geval wordt de wrijvingscoëfficiënt specifiek gebruikt voor glijden. De wrijvingscoëfficiënt wordt meestal aangeduid met de Griekse letter Μ (mu). De algemene formule voor beide wrijvingskrachten is dus: Ftr=ΜN, waarbij N de steunreactiekracht is.
De aard van het verschil tussen deze soorten wrijvingskrachten is niet precies vastgesteld. De meeste wetenschappers zijn echter van mening dat de statische wrijvingskracht groter is dan die voor glijden, omdat wanneer de lichamen enige tijd ten opzichte van elkaar in rust zijn, ionische bindingen of microfusies van individuele punten van de oppervlakken tussen hun oppervlakken kunnen ontstaan. Deze factoren veroorzaken een toename van statischeindicator.
Een voorbeeld van verschillende soorten wrijvingskracht en hun manifestatie is de zuiger in de cilinder van een automotor, die aan de cilinder wordt "gesoldeerd" als de motor lange tijd niet draait.
Horizontaal schuiflichaam
Laten we de bewegingsvergelijking bekijken voor een lichaam dat, onder invloed van een externe kracht Fin, langs het oppervlak begint te bewegen door te schuiven. In dit geval werken de volgende krachten op het lichaam:
- Fv – externe kracht;
- Ftr – wrijvingskracht die tegengesteld is aan de kracht Fv;
- N is de reactiekracht van de steun, die in absolute waarde gelijk is aan het gewicht van het lichaam P en gericht is op het oppervlak, dat wil zeggen, in een rechte hoek ermee.
Rekening houdend met de richtingen van alle krachten, schrijven we de tweede wet van Newton voor dit bewegingsgeval: Fv - Ftr=ma, waarbij m - lichaamsmassa, a - bewegingsversnelling. Wetende dat Ftr=ΜN, N=P=mg, waarbij g de vrije valversnelling is, krijgen we: Fv – Μmg=meen. Vanwaar, als we de versnelling uitdrukken waarmee het glijdende lichaam beweegt, krijgen we: a=F in / m – Μg.
Beweging van een stijf lichaam in een vloeistof
Als je bedenkt welke soorten wrijvingskrachten er bestaan, moet je een belangrijk fenomeen in de natuurkunde noemen, namelijk de beschrijving van hoe een vast lichaam in een vloeistof beweegt. In dit geval hebben we het over aerodynamische wrijving, die wordt bepaald afhankelijk van de snelheid van het lichaam in de vloeistof. Er zijn twee soorten beweging:
- Wanneereen star lichaam beweegt met een lage snelheid, men spreekt van laminaire beweging. De wrijvingskracht bij laminaire beweging is evenredig met de snelheid. Een voorbeeld is de wet van Stokes voor bolvormige lichamen.
- Wanneer de beweging van een lichaam in een vloeistof plaatsvindt met een hogere snelheid dan een bepaalde drempelwaarde, beginnen wervelingen van vloeistofstromen rond het lichaam te verschijnen. Deze wervelingen creëren een extra kracht die beweging belemmert, en als resultaat is de wrijvingskracht evenredig met het kwadraat van de snelheid.
Aard van de rollende wrijvingskracht
Als we het hebben over de soorten wrijvingskrachten, is het gebruikelijk om de rollende wrijvingskracht het derde type te noemen. Het manifesteert zich wanneer een lichaam over een bepaald oppervlak rolt en vervorming van dit lichaam en het oppervlak zelf optreedt. Dat wil zeggen, in het geval van een absoluut onvervormbaar lichaam en oppervlak, heeft het geen zin om te praten over de kracht van rollende wrijving. Laten we eens nader kijken.
Het concept van de rolwrijvingscoëfficiënt is vergelijkbaar met dat voor glijden. Omdat er tijdens het rollen geen slip tussen de oppervlakken van lichamen is, is de rolwrijvingscoëfficiënt veel kleiner dan bij glijden.
De belangrijkste factor die de coëfficiënt beïnvloedt, is de hysterese van mechanische energie voor het type rollende wrijvingskracht. In het bijzonder wordt het wiel, afhankelijk van het materiaal waaruit het is gemaakt, evenals van de belasting die het draagt, tijdens beweging elastisch vervormd. Herhaalde cycli van elastische vervorming leiden tot de overdracht van een deel van de mechanische energie in thermische energie. Bovendien, als gevolg vanschade, het contact van het wiel en het oppervlak heeft al een eindig contactoppervlak.
formule voor rollende wrijvingskracht
Als we de uitdrukking toepassen voor het krachtmoment dat het wiel draait, dan kunnen we krijgen dat de rollende wrijvingskracht Ftr.k.=Μ is k N / R, hier is N de reactie van de steun, R is de straal van het wiel, Μк – rollende wrijvingscoëfficiënt. De rollende wrijvingskracht is dus omgekeerd evenredig met de straal, wat het voordeel van grote wielen ten opzichte van kleine verklaart.
De omgekeerde evenredigheid van deze kracht met de straal van het wiel suggereert dat in het geval van twee wielen met verschillende radii die dezelfde massa hebben en van hetzelfde materiaal zijn, het wiel met de grotere straal gemakkelijker te toegeven.
Rollingsverhouding
In overeenstemming met de formule voor dit type wrijvingskracht, verkrijgen we dat de rolwrijvingscoëfficiënt Μk de afmeting van lengte heeft. Het hangt voornamelijk af van de aard van de contactlichamen. De waarde, die wordt bepaald door de verhouding van de rolwrijvingscoëfficiënt tot de straal, wordt de rolcoëfficiënt genoemd, dat wil zeggen, Ck=Μk / R is een dimensieloze grootheid.
De rolcoëfficiënt Ck is aanzienlijk minder dan de schuifwrijvingscoëfficiënt Μtr. Daarom kunnen we bij het beantwoorden van de vraag welk type wrijvingskracht het kleinst is, veilig de rollende wrijvingskracht noemen. Dankzij dit feit wordt de uitvinding van het wiel beschouwd als een belangrijke stap in de technologische vooruitgang.mensheid.
De rolverhouding is systeemspecifiek en hangt af van de volgende factoren:
- hardheid van het wiel en oppervlak (hoe kleiner de vervorming van lichamen die optreedt tijdens beweging, hoe lager de rolcoëfficiënt);
- wielradius;
- gewicht dat op het wiel werkt;
- contactoppervlak en zijn vorm;
- viscositeit in het contactgebied tussen het wiel en het oppervlak;
- lichaamstemperatuur
