1. Definice třecí síly
Tření je odpor, který působí mezi povrchy objektů, které se vzájemně dotýkají. V tomto tématu se studovaná třecí síla vztahuje k třecí síle působící mezi dvěma povrchy pevných těles, které se dotýkají. Například tření mezi základnou trámu a povrchem podlahy, tření mezi základnou boty a povrchem podlahy, tření mezi koly automobilu a povrchem vozovky.
Třecí síla vždy působí na povrch pevných objektů, které se vzájemně dotýkají, i když jsou objekty velmi hladké. I hladké povrchy jsou ve skutečnosti v mikroskopickém měřítku velmi drsné. Když se objekt pohybuje, tyto mikroskopické výstupky narušují pohyb. Na atomové úrovni způsobuje výstupek na povrchu, že atomy jsou velmi blízko u jiných povrchů, takže elektrické síly mezi atomy mohou vytvářet chemické vazby, jako spojení mezi dvěma povrchy pohybujícího se objektu. Když se objekt pohybuje, například když tlačíte knihu na povrch stolu, pohyb knihy naráží na překážky a nakonec se zastaví. To je způsobeno vznikem a uvolněním vazby.
Pokud se povrch předmětu tře o povrch jiného předmětu, každý z těchto předmětů pracuje na principu tření mezi sebou. Třecí síla na pohybující se předmět je vždy v opačném směru, než je směr pohybu předmětu. Kromě toho, že tření brání pohybu předmětů, může způsobit opotřebení a poškození. Můžeme to pozorovat na motoru vozidla. Například když dodáváme mazací olej do motoru motocyklu, chceme ve skutečnosti snížit třecí sílu, která vzniká uvnitř motoru. Pokud mazací olej nedodáme, motor našeho vozidla se rychle poškodí. Tento příklad je jednou ze ztrát způsobených třením.
2. Druhy třecí síly
Existují dva typy třecích sil, a to síla statického tření (f₁ ) a síla kinetického tření (f₁ ) . Statická třecí síla působí, když se objekt nepohybuje, zatímco kinetická třecí síla působí, když se objekt pohybuje. Pokud tlačíte na stůl, ale stůl se nepohybuje, pak třecí síla působící na stůl v klidu je statická třecí síla. Naopak, když se stůl pohybuje, třecí síla působící na stůl je kinetické tření. Pokud se pohybující se stůl neustále netlačí, stůl se po chvíli pohybu zastaví. Stůl se zastaví v důsledku kinetické třecí síly, která blokuje pohyb stolu.
Už jste někdy uklouzli při šlápnutí na něco hladkého? Když uklouznete, třecí síla, která působí mezi spodní částí boty nebo spodní částí sandálu s hladkým povrchem, je kinetické tření. Tento problém je podobný, jako když se motocykl nebo auto pohybuje po mokrém a hladkém povrchu vozovky a brzdí, dokud kolo neprokluzuje. Když kola prokluzují, třecí síla působící na povrch kola a povrch vozovky je kinetická třecí síla. Naopak, když jdete, třecí síla, která působí mezi spodní částí boty nebo spodní částí sandálů a povrchem podlahy, je statická třecí síla. Podobně, když kola neprokluzují, třecí síla působící na povrch kola a vozovku je statické tření.
2.1 Statická třecí síla
Statická třecí síla je třecí síla působící na povrch objektů, které se vzájemně dotýkají, když se objekty ještě nepohnuly.
Obrázek 1 znázorňuje objekt, který je stále na povrchu rovné plochy. Pokud se objekt ještě nepohnul, pak je statická třecí síla (fs) menší než tažná síla (F). Pokud je objekt nadále tažen, pak se bude pohybovat. Když se bude pohybovat pravý objekt, velikost statické třecí síly (fs) se rovná velikosti tažné síly (F).
Newtonův první zákon říká, že objekty jsou v klidu, pokud je celková síla (výsledná síla) nulová.
ΣF y = 0 (Objekt stojí v klidu a nepohybuje se ve svislém směru)
S – š = 0
N = w (1.2)
Nahraďte N v rovnici 1.1 za N v rovnici 1.2
fs = μsw
f s = μ s mg (1.3)
fs = statické tření (N), μs = koeficient statického tření, N = normálová síla (N), w = tíha (N), m = hmotnost (kg), g = tíhové zrychlení (m/ s² )
Pokud chcete určit součinitel statického tření, použijte rovnici 1.1 b
Σf x = 0 (Objekt stojí a nepohybuje se v horizontálním směru)
F – fₙ = 0
F = fₙ ( 1.4)
Když se objekt začne pohybovat, maximální statická třecí síla se rovná velikosti tlačné nebo tažné síly.
2.2 Kinetická třecí síla
Kinetická třecí síla je třecí síla působící na povrch objektů, které se vzájemně dotýkají, když se objekt pohybuje.
Pokud chcete určit koeficient kinetického tření (μk ) , použijte rovnici 1.5b
Obrázek 2 znázorňuje objekt, který je pravidelně tažen, takže se objekt pohybuje konstantní rychlostí. Při pohybu konstantní rychlostí se velikost kinetické třecí síly (fk) rovná velikosti tažné síly (F).
Newtonův první zákon říká, že objekt se pohybuje konstantní rychlostí, pokud je celková síla (výsledná síla) nulová.
ΣF x = 0 (objekty se pohybují konstantní rychlostí v horizontálním směru)
F – fk = 0
F = fk (1.6)
Ukázkový problém 1:
Student táhne pomocí dynamometru (zařízení pro měření síly) trám o hmotnosti 1 kg, který je umístěn na povrchu stolu. Když se trám pohybuje, dynamometr ukazuje číslo 2 N. Pokud je tíhové zrychlení = 10 m/s² , určete (a) velikost statické třecí síly (b) součinitel statického tření
Řešení:
Známé : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Když se nosník pohybuje, velikost statické třecí síly = velikosti tažné síly (viz rovnice 1.4). Takže f s = F = 2 N.
(b) μs
fs = μsw
2 N = (μs² ) (10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Ukázkový problém 2:
Nosník o hmotnosti 1 kg umístěný nad povrchem stolu je pravidelně tažen tak, aby se nosník pohyboval konstantní rychlostí. Když se nosník pohybuje konstantní rychlostí, dynamometr ukazuje číslo 1 N. Pokud je tíhové zrychlení = 10 m/s² , určete (a) velikost kinetické třecí síly (b) součinitel kinetického tření
Řešení:
Známé: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Když se paprsek pohybuje pravidelně nebo konstantní rychlostí, velikost kinetické třecí síly = velikosti tažné síly (viz rovnice 1.6).
Takže fk = F = 1 N
(b) μk
fk = μkw
1 N = (μk ) (10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
