1. Ορισμός της δύναμης τριβής
Η τριβή είναι η οπισθέλκουσα που ασκείται μεταξύ των επιφανειών αντικειμένων που αγγίζουν η μία την άλλη. Σε αυτό το θέμα, η δύναμη τριβής που μελετάται σχετίζεται με τη δύναμη τριβής που ασκείται μεταξύ δύο στερεών επιφανειών σώματος που αγγίζουν. Όπως η τριβή μεταξύ της βάσης της δοκού και της επιφάνειας του δαπέδου, η τριβή μεταξύ της βάσης του παπουτσιού και της επιφάνειας του δαπέδου, η τριβή μεταξύ των τροχών του αυτοκινήτου και της επιφάνειας του οδοστρώματος.
Η δύναμη τριβής ασκείται πάντα στην επιφάνεια στερεών αντικειμένων που εφάπτονται μεταξύ τους, παρόλο που τα αντικείμενα είναι πολύ λεία. Ακόμα και οι λείες επιφάνειες είναι στην πραγματικότητα πολύ τραχιές σε μικροσκοπική κλίμακα. Όταν ένα αντικείμενο κινείται, αυτές οι μικροσκοπικές ραβδώσεις παρεμβαίνουν στην κίνηση. Σε ατομικό επίπεδο, μια προεξοχή στην επιφάνεια προκαλεί τα άτομα να βρίσκονται πολύ κοντά σε άλλες επιφάνειες, έτσι ώστε οι ηλεκτρικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων να μπορούν να σχηματίσουν χημικούς δεσμούς, ως ένωση μεταξύ δύο επιφανειών ενός κινούμενου αντικειμένου. Όταν ένα αντικείμενο κινείται, για παράδειγμα όταν σπρώχνετε ένα βιβλίο στην επιφάνεια του τραπεζιού, η κίνηση του βιβλίου συναντά εμπόδια και τελικά σταματά. Αυτό οφείλεται στον σχηματισμό και την απελευθέρωση του δεσμού.
Εάν η επιφάνεια ενός αντικειμένου τρίβεται στην επιφάνεια ενός άλλου αντικειμένου, καθένα από αυτά τα αντικείμενα ασκεί τριβή μεταξύ τους. Η δύναμη τριβής στο κινούμενο αντικείμενο είναι πάντα αντίθετη από την κατεύθυνση κίνησης του αντικειμένου. Εκτός από την αναστολή της κίνησης των αντικειμένων, η τριβή μπορεί να προκαλέσει φθορά και ζημιά. Μπορούμε να το παρατηρήσουμε αυτό στον κινητήρα του οχήματος. Για παράδειγμα, όταν παρέχουμε λιπαντικό λάδι σε έναν κινητήρα μοτοσικλέτας, στην πραγματικότητα θέλουμε να μειώσουμε τη δύναμη τριβής που ασκείται στο εσωτερικό του κινητήρα. Εάν δεν του δοθεί το λιπαντικό λάδι, ο κινητήρας του οχήματός μας καταστρέφεται γρήγορα. Αυτό το παράδειγμα είναι μία από τις απώλειες που προκαλούνται από την τριβή.
2. Τύποι δυνάμεις τριβής
Υπάρχουν δύο τύποι δυνάμεων τριβής, συγκεκριμένα η δύναμη της στατικής τριβής (fs ) και η δύναμη της κινητικής τριβής (fk ) . Η στατική δύναμη τριβής ασκείται όταν το αντικείμενο δεν έχει κινηθεί, ενώ η κινητική δύναμη τριβής ασκείται όταν το αντικείμενο κινείται. Εάν σπρώξετε ένα τραπέζι, αλλά το τραπέζι δεν έχει κινηθεί, τότε η δύναμη τριβής που ασκείται στο τραπέζι που βρίσκεται σε ηρεμία είναι μια στατική δύναμη τριβής. Αντίθετα, όταν το τραπέζι κινείται, η δύναμη τριβής που ασκείται στο τραπέζι είναι κινητική τριβή. Εάν το κινούμενο τραπέζι δεν σπρώχνεται πάντα, το τραπέζι θα σταματήσει αφού κινηθεί για λίγο. Το τραπέζι σταματά λόγω της κινητικής δύναμης τριβής που εμποδίζει την κίνηση του τραπεζιού.
Γλιστρήσατε ποτέ όταν πατάτε σε κάτι λείο; Όταν γλιστράτε, η δύναμη τριβής που ασκείται μεταξύ της βάσης του παπουτσιού ή του κάτω μέρους ενός σανδαλιού με λεία επιφάνεια είναι κινητική τριβή. Αυτό το πρόβλημα είναι παρόμοιο με αυτό που ασκείται όταν μια μοτοσικλέτα ή αυτοκίνητο κινείται σε ένα βρεγμένο και λείο οδόστρωμα, φρενάροντας μέχρι να γλιστρήσει ο τροχός. Όταν οι τροχοί γλιστρούν, η δύναμη τριβής που ασκείται στην επιφάνεια του τροχού και στην επιφάνεια του οδοστρώματος είναι κινητική δύναμη τριβής. Αντίθετα, όταν περπατάτε, η δύναμη τριβής που ασκείται μεταξύ της βάσης του παπουτσιού ή του κάτω μέρους των σανδαλιών με την επιφάνεια του δαπέδου είναι στατική δύναμη τριβής. Ομοίως, όταν οι τροχοί δεν γλιστρούν, η δύναμη τριβής που ασκείται στην επιφάνεια του τροχού και του δρόμου είναι στατική τριβή.
2.1 Στατική δύναμη τριβής
Η στατική δύναμη τριβής είναι η δύναμη τριβής που ασκείται στην επιφάνεια αντικειμένων που αγγίζουν το ένα το άλλο, όταν τα αντικείμενα δεν έχουν ακόμη κινηθεί.
Το Σχήμα 1 δείχνει ένα αντικείμενο που βρίσκεται ακόμα στην επιφάνεια ενός επίπεδου επιπέδου. Εάν το αντικείμενο δεν έχει ακόμη κινηθεί, τότε η στατική δύναμη τριβής (fs) είναι μικρότερη από τη δύναμη έλξης (F). Εάν συνεχίσει να έλκεται, τότε το αντικείμενο θα κινηθεί. Όταν το σωστό αντικείμενο κινηθεί, το μέγεθος της στατικής δύναμης τριβής (fs) ισούται με το μέγεθος της δύναμης έλξης (F).
Ο Πρώτος Νόμος του Νεύτωνα ορίζει ότι τα σώματα είναι ακίνητα αν η συνολική δύναμη (η συνισταμένη δύναμη) είναι μηδέν.
ΣF y = 0 (Το αντικείμενο ακινητοποιείται και δεν κινείται σε κατακόρυφη κατεύθυνση)
N – w = 0
Ν = w (1.2)
Αντικαταστήστε το N στην εξίσωση 1.1 με το N στην εξίσωση 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = στατική τριβή (N), μs = συντελεστής στατικής τριβής, N = κάθετη δύναμη (N), w = βαρύτητα (N), m = μάζα (kg), g = επιτάχυνση της βαρύτητας (m/ s² )
Αν θέλετε να προσδιορίσετε τον συντελεστή στατικής τριβής, τότε χρησιμοποιήστε την εξίσωση 1.1 b
Σf x = 0 (Το αντικείμενο ακινητοποιείται και δεν κινείται στην οριζόντια κατεύθυνση)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Όταν το αντικείμενο αρχίζει να κινείται, η μέγιστη στατική δύναμη τριβής ισούται με το μέγεθος της δύναμης ώθησης ή έλξης.
2.2 Κινητική δύναμη τριβής
Η κινητική δύναμη τριβής είναι η δύναμη τριβής που ασκείται στην επιφάνεια αντικειμένων που αγγίζουν το ένα το άλλο όταν ένα αντικείμενο κινείται.
Αν θέλετε να προσδιορίσετε τον συντελεστή κινητικής τριβής (μ k ), χρησιμοποιήστε την εξίσωση 1.5 b
Το Σχήμα 2 δείχνει ένα αντικείμενο που έλκεται τακτικά έτσι ώστε το αντικείμενο να κινείται με σταθερή ταχύτητα. Όταν κινείται με σταθερή ταχύτητα, το μέγεθος της κινητικής δύναμης τριβής (fk) ισούται με το μέγεθος της δύναμης έλξης (F).
Ο Πρώτος Νόμος του Νεύτωνα ορίζει ότι ένα αντικείμενο κινείται με σταθερή ταχύτητα εάν η συνολική δύναμη (η συνισταμένη δύναμη) είναι μηδέν.
ΣF x = 0 (τα αντικείμενα κινούνται με σταθερή ταχύτητα στην οριζόντια κατεύθυνση)
F – fk = 0
F = fk ( 1.6)
Δείγμα προβλήματος 1:
Ένας μαθητής τραβάει μια δοκό μάζας 1 kg η οποία βρίσκεται στην επιφάνεια του τραπεζιού χρησιμοποιώντας ένα δυναμόμετρο (μια συσκευή μέτρησης δύναμης). Όταν η δοκός κινηθεί, το δυναμόμετρο δείχνει τον αριθμό 2 N. Αν η επιτάχυνση της βαρύτητας = 10 m/s 2 , προσδιορίστε (α) το μέγεθος της στατικής δύναμης τριβής (β) τον συντελεστή στατικής τριβής
Λύση:
Γνωστά : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(α) f s
Όταν η δοκός κινείται, το μέγεθος της στατικής δύναμης τριβής = το μέγεθος της δύναμης έλξης (συγκρίνετε την εξίσωση 1.4). Έτσι, f s = F = 2 N.
(β) μ s
f s = μ s w
2 N = (μ ·s )(10 N)
μ s = 2 N / 10 N = 0.2
Δείγμα προβλήματος 2:
Μια δοκός μάζας 1 kg που βρίσκεται πάνω από την επιφάνεια του τραπεζιού έλκεται κανονικά έτσι ώστε η δοκός να κινείται με σταθερή ταχύτητα. Όταν η δοκός κινείται με σταθερή ταχύτητα, το δυναμόμετρο δείχνει τον αριθμό 1 N. Εάν η επιτάχυνση της βαρύτητας = 10 m/s 2 , προσδιορίστε (α) το μέγεθος της κινητικής δύναμης τριβής (β) τον συντελεστή κινητικής τριβής
Λύση:
Γνωστά: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(α) f k
Όταν η δοκός κινείται κανονικά ή κινείται με σταθερή ταχύτητα, το μέγεθος της κινητικής δύναμης τριβής = το μέγεθος της δύναμης έλξης (συγκρίνετε την εξίσωση 1.6).
Άρα fk = F = 1 N
(β) μ k
f k = μ k w
1 N = (μk ) (10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
