1. Definition af friktionskraft
Friktion er en modstand, der virker mellem overfladerne på genstande, der berører hinanden. I dette emne er den studerede friktionskraft relateret til den friktionskraft, der virker mellem to faste kropsoverflader, der berører hinanden. Såsom friktion mellem bjælkens bund og gulvoverfladen, friktion mellem skoens bund og gulvoverfladen, friktion mellem bilens hjul og vejoverfladen.
Friktionskraften virker altid på overfladen af faste objekter, der berører hinanden, selvom objekterne er meget glatte. Selv glatte overflader er faktisk meget ru på mikroskopisk skala. Når et objekt bevæger sig, forstyrrer disse mikroskopiske kamme bevægelsen. På atomniveau forårsager en fremspring på overfladen, at atomer er meget tæt på andre overflader, så de elektriske kræfter mellem atomer kan danne kemiske bindinger, som en forening mellem to overflader af et objekt i bevægelse. Når et objekt bevæger sig, for eksempel når du skubber en bog hen på bordets overflade, møder bogens bevægelse forhindringer og stopper til sidst. Dette skyldes dannelsen og frigørelsen af bindingen.
Hvis overfladen af en genstand gnider mod overfladen af en anden genstand, virker hver af disse genstande på friktion mellem hinanden. Friktionskraften på den bevægelige genstand er altid i den modsatte retning af genstandens bevægelsesretning. Udover at hæmme genstandes bevægelse kan friktion forårsage slid og skader. Vi kan observere dette på en bilmotor. For eksempel, når vi forsyner en motorcykelmotor med smøreolie, ønsker vi faktisk at reducere den friktionskraft, der opstår inde i motoren. Hvis den ikke får smøreolie, bliver vores bilmotor hurtigt beskadiget. Dette eksempel er et af de tab, der forårsages af friktion.
2. Typer af friktionskræfter
Der er to typer friktionskræfter, nemlig den statiske friktionskraft (fs ) og den kinetiske friktionskraft (fk ) . Den statiske friktionskraft virker, når objektet ikke har bevæget sig, mens den kinetiske friktionskraft virker, når objektet bevæger sig. Hvis du skubber et bord, men bordet ikke har bevæget sig, er friktionskraften, der virker på det bord, der er i ro, en statisk friktionskraft. Omvendt, når bordet bevæger sig, er friktionskraften, der virker på bordet, kinetisk friktion. Hvis det bevægelige bord ikke skubbes konstant, vil bordet stoppe efter at have bevæget sig et stykke tid. Bordet stopper på grund af den kinetiske friktionskraft, der blokerer bordets bevægelse.
Har du nogensinde gledet, når du har trådt på noget glat? Når du glider, er friktionskraften mellem skoens bund eller bunden af en sandal med en glat overflade kinetisk friktion. Dette problem minder om, når en motorcykel eller bil kører hen over en våd og glat vejbane og bremser, indtil hjulet glider. Når hjulene glider, er friktionskraften, der virker på hjulets overflade og vejbanen, kinetisk friktionskraft. Omvendt, når du går, er friktionskraften mellem skoens bund eller bunden af sandalen og gulvoverfladen en statisk friktionskraft. Ligeledes, når hjulene ikke glider, er friktionskraften, der virker på hjulets overflade og vejbanen, statisk friktion.
2.1 Statisk friktionskraft
Den statiske friktionskraft er den friktionskraft, der virker på overfladen af objekter, der berører hinanden, når objekterne endnu ikke har bevæget sig.
Figur 1 viser et objekt, der stadig befinder sig på overfladen af et fladt plan. Hvis objektet endnu ikke har bevæget sig, er den statiske friktionskraft (fs) mindre end trækkraften (F). Hvis det fortsætter med at blive trukket, vil objektet bevæge sig. Når det højre objekt bevæger sig, vil størrelsen af den statiske friktionskraft (fs) er lig med størrelsen af trækkraften (F).
Newtons første lov siger, at objekter er i ro, hvis den samlede kraft (resulterende kraft) er nul.
ΣF y = 0 (Objektet hviler og bevæger sig ikke i lodret retning)
N – w = 0
N = w (1.2)
Erstat N i ligning 1.1 med N i ligning 1.2
fs = μsw
fs = μs / mg (1.3)
fs = statisk friktion (N), μs = statisk friktionskoefficient, N = normalkraft (N), w = tyngdekraft (N), m = masse (kg), g = tyngdeacceleration (m/ s² )
Hvis du vil bestemme den statiske friktionskoefficient, skal du bruge ligning 1.1 b
Σf x = 0 (Objektet hviler og bevæger sig ikke i vandret retning)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
Når objektet begynder at bevæge sig, er den maksimale statiske friktionskraft lig med størrelsen af skubbe- eller trækkraften.
2.2 Kinetisk friktionskraft
Den kinetiske friktionskraft er den friktionskraft, der virker på overfladen af objekter, der berører hinanden, når et objekt bevæger sig.
Hvis du vil bestemme den kinetiske friktionskoefficient (μk ) , skal du bruge ligning 1.5b
Figur 2 viser et objekt, der trækkes regelmæssigt, således at objektet bevæger sig med en konstant hastighed. Når objektet bevæger sig med en konstant hastighed, er størrelsen af den kinetiske friktionskraft (fk) lig med størrelsen af trækkraften (F).
Newtons første lov siger, at et objekt bevæger sig med konstant hastighed, hvis den samlede kraft (resulterende kraft) er nul.
ΣF x = 0 (objekter bevæger sig med konstant hastighed i vandret retning)
F – fk = 0
F = fk ( 1.6)
Eksempel på problem 1:
En elev trækker en bjælke med en masse på 1 kg, som er placeret på bordfladen, ved hjælp af et dynamometer (en kraftmåler). Når bjælken bevæger sig, viser dynamometeret tallet 2 N. Hvis tyngdeaccelerationen = 10 m/s² , bestem (a) størrelsen af den statiske friktionskraft (b) den statiske friktionskoefficient
Opløsning:
Kendt : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Når bjælken bevæger sig, er størrelsen af den statiske friktionskraft = størrelsen af trækkraften (sammenlign ligning 1.4). Så f s = F = 2 N.
(b) μs
fs = μsw
2 N = (μs ) (10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Eksempel på problem 2:
En bjælke med en masse på 1 kg, der er placeret over bordoverfladen, trækkes regelmæssigt, så bjælken bevæger sig med en konstant hastighed. Når bjælken bevæger sig med en konstant hastighed, viser dynamometeret tallet 1 N. Hvis tyngdeaccelerationen = 10 m/s² , bestem (a) størrelsen af den kinetiske friktionskraft (b) den kinetiske friktionskoefficient
Opløsning:
Kendt: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) fk
Når bjælken bevæger sig regelmæssigt eller med konstant hastighed, er størrelsen af den kinetiske friktionskraft = størrelsen af trækkraften (sammenlign ligning 1.6).
Så fk = F = 1 N
(b) μk
fk = μkw
1 N = (μk ) (10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
