1. Hõõrdejõu definitsioon
Hõõrdumine on takistus, mis toimib üksteisega kokkupuutuvate esemete pindade vahel. Selles teemas on uuritav hõõrdejõud seotud hõõrdejõuga, mis toimib kahe kokkupuutuva tahke keha pinna vahel. Näiteks hõõrdumine tala aluse ja põrandapinna vahel, hõõrdumine kinga aluse ja põrandapinna vahel, hõõrdumine auto rataste ja teepinna vahel.
Hõõrdejõud mõjub alati üksteisega kokkupuutuvate tahkete objektide pinnale, isegi kui objektid on väga siledad. Isegi siledad pinnad on mikroskoopilisel skaalal tegelikult väga karedad. Kui objekt liigub, segavad need mikroskoopilised servad liikumist. Aatomitasandil põhjustab pinnal olev eend aatomite lähedust teistele pindadele, nii et aatomite vahelised elektrilised jõud saavad moodustada keemilisi sidemeid, mis moodustavad ühenduse liikuva objekti kahe pinna vahel. Kui objekt liigub, näiteks kui lükata raamatut laua pinnale, kohtab raamatu liikumine takistusi ja lõpuks peatub. See on tingitud sideme moodustumisest ja vabanemisest.
Kui ühe objekti pind hõõrub vastu teise objekti pinda, siis kõik need objektid toimivad üksteise omavahelise hõõrdumise abil. Liikuva objekti hõõrdejõud on alati objekti liikumissuuna vastassuunas. Lisaks objektide liikumise takistamisele võib hõõrdumine põhjustada kulumist ja kahjustusi. Seda võime täheldada sõiduki mootoril. Näiteks kui me varustame mootorratta mootorit määrdeõliga, tahame tegelikult vähendada mootori sees tekkivat hõõrdejõudu. Kui sellele määrdeõli ei anta, kahjustub meie sõiduki mootor kiiresti. See näide on üks hõõrdumisest tingitud kaotustest.
2. Tüübid hõõrdejõud
Hõõrdejõude on kahte tüüpi: staatiline hõõrdejõud (fs ) ja kineetiline hõõrdejõud (fk ) . Staatiline hõõrdejõud toimib siis, kui objekt ei ole liikunud, kineetiline hõõrdejõud aga siis, kui objekt liigub. Kui lükkate lauda, aga laud ei ole liikunud, siis on paigal seisvale lauale mõjuv hõõrdejõud staatiline hõõrdejõud. Seevastu, kui laud liigub, on lauale mõjuv hõõrdejõud kineetiline hõõrdejõud. Kui liikuvat lauda pidevalt ei lükata, peatub see pärast mõnda aega liikumist. Laud peatub kineetilise hõõrdejõu tõttu, mis blokeerib laua liikumist.
Kas olete kunagi libastunud siledale pinnale astudes? Libisemise korral on kineetiline hõõrdejõud, mis toimib kingapõhja või sileda pinnaga sandaalipõhja vahel. See probleem sarnaneb olukorraga, kus mootorratas või auto liigub märjal ja siledal teekattel, pidurdades seni, kuni ratas libiseb. Kui rattad libisevad, on ratta pinnale ja teekattele mõjuv hõõrdejõud kineetiline hõõrdejõud. Seevastu kõndimisel on kingapõhja või sandaalipõhja ja põrandapinna vahel mõjuv hõõrdejõud staatiline hõõrdejõud. Samamoodi, kui rattad ei libise, on ratta pinnale ja teekattele mõjuv hõõrdejõud staatiline hõõrdejõud.
2.1 Staatiline hõõrdejõud
Staatiline hõõrdejõud on hõõrdejõud, mis mõjub üksteisega kokkupuutuvate objektide pinnale ajal, mil objektid pole veel liikunud.
Joonis 1 näitab objekti, mis asub endiselt tasapinnal. Kui objekt pole veel liikunud, on staatiline hõõrdejõud (fs) väiksem kui tõmbejõud (F). Kui objekt jätkab tõmbamist, siis see liigub. Kui parempoolne objekt liigub, siis staatilise hõõrdejõu suurus (fs)s) võrdub tõmbejõu suurusega (F).
Newtoni esimene seadus sätestab, et kehad on paigal, kui neile mõjuv jõud (resultantjõud) on null.
ΣF y = 0 (Objekt paigal seisab ja ei liigu vertikaalsuunas)
N – w = 0
N = w (1.2)
Asendage võrrandis 1.1 N väärtusega võrrandis 1.2
fs = μsw
fs = μsmg ( 1.3)
fs = staatiline hõõrdumine (N), μs = staatilise hõõrdetegur, N = normaaljõud (N), w = raskusjõud (N), m = mass (kg), g = raskuskiirendus (m/ s² )
Staatilise hõõrdeteguri määramiseks kasutage võrrandit 1.1 b
Σf x = 0 (Objekt puhkab ja ei liigu horisontaalsuunas)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
Kui objekt hakkab liikuma, on maksimaalne staatiline hõõrdejõud võrdne tõuke- või tõmbejõu suurusega.
2.2 Kineetiline hõõrdejõud
Kineetiline hõõrdejõud on hõõrdejõud, mis mõjub liikuvate objektide pinnale, kui need puutuvad kokku üksteisega.
Kineetilise hõõrdeteguri ( μk ) määramiseks kasutage võrrandit 1.5 b
Joonis 2 näitab objekti, mida tõmmatakse regulaarselt nii, et objekt liigub konstantse kiirusega. Konstantse kiirusega liikumisel on kineetilise hõõrdejõu suurus (fk) võrdne tõmbejõu suurusega (F).
Newtoni esimene seadus sätestab, et objekt liigub konstantse kiirusega, kui kogujõud (resultantjõud) on null.
ΣF x = 0 (objektid liiguvad horisontaalsuunas konstantse kiirusega)
F – fk = 0
F = fk ( 1.6)
Näidisülesanne 1:
Õpilane tõmbab dünamomeetri (jõu mõõtmise seade) abil lauale asetatud 1 kg massiga tala. Kui tala liigub, näitab dünamomeeter jõudu 2 N. Kui raskuskiirendus = 10 m/s² , siis määrake (a) staatilise hõõrdejõu suurus (b) staatilise hõõrdetegur.
Lahendus:
Tuntud : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) fs
Kui tala liigub, on staatilise hõõrdejõu suurus = tõmbejõu suurus (võrdle võrrandiga 1.4). Seega f/ s = F = 2 N.
(b) μs
fs = μsw
2 N = (μ /s )(10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Näidisülesanne 2:
Lauapinna kohal asuvat 1 kg massiga tala tõmmatakse korrapäraselt nii, et tala liigub konstantse kiirusega. Kui tala liigub konstantse kiirusega, näitab dünamomeeter arvu 1 N. Kui raskuskiirendus = 10 m/s² , siis määrake (a) kineetilise hõõrdejõu suurus (b) kineetilise hõõrdetegur.
Lahendus:
Tuntud: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Kui tala liigub regulaarselt või konstantse kiirusega, siis kineetilise hõõrdejõu suurus on = tõmbejõu suurus (võrdle võrrandiga 1.6).
Seega fk = F = 1 N
(b) μk
fk = μkw
1 N = (μk ) (10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
