1. Kitkavoiman määritelmä
Kitka on vastusta, joka vaikuttaa toisiaan koskettavien kappaleiden pintojen välillä. Tässä aiheessa tutkittu kitkavoima liittyy kahden toisiaan koskettavan kiinteän kappaleen pinnan välillä vaikuttavaan kitkavoimaan. Tällaisia ovat esimerkiksi palkin pohjan ja lattiapinnan välinen kitka, kengän pohjan ja lattiapinnan välinen kitka sekä auton pyörien ja tienpinnan välinen kitka.
Kitkavoima vaikuttaa aina toisiaan koskettavien kiinteiden kappaleiden pinnalla, vaikka kappaleet olisivatkin hyvin sileitä. Mikroskooppisessa mittakaavassa jopa sileät pinnat ovat itse asiassa hyvin karkeita. Kun kappale liikkuu, nämä mikroskooppiset harjanteet häiritsevät liikettä. Atomitasolla pinnan kohouma aiheuttaa atomien siirtymisen hyvin lähelle muita pintoja, jolloin atomien väliset sähköiset voimat voivat muodostaa kemiallisia sidoksia, kuten liiton liikkuvan kappaleen kahden pinnan välille. Kun kappale liikkuu, esimerkiksi kun työnnät kirjaa pöydän pintaa vasten, kirjan liike kohtaa esteitä ja lopulta pysähtyy. Tämä johtuu sidoksen muodostumisesta ja vapautumisesta.
Jos jonkin esineen pinta hankaa toisen esineen pintaa vasten, jokainen näistä esineistä toimii toistensa välisen kitkan avulla. Liikkuvaan esineeseen kohdistuva kitkavoima on aina vastakkaiseen suuntaan kuin esineen liikesuunta. Esineiden liikkeen estämisen lisäksi kitka voi aiheuttaa kulumista ja vaurioita. Voimme havaita tämän ajoneuvon moottorissa. Esimerkiksi kun annamme voiteluöljyä moottoripyörän moottoriin, haluamme itse asiassa vähentää moottorin sisällä esiintyvää kitkavoimaa. Jos sille ei anneta voiteluöljyä, ajoneuvomme moottori vaurioituu nopeasti. Tämä esimerkki on yksi kitkan aiheuttamista tappioista.
2. Tyypit kitkavoimat
Kitkavoimia on kahdenlaisia: staattinen kitkavoima (fs ) ja kineettinen kitkavoima (fk ) . Staattinen kitkavoima vaikuttaa, kun kappale ei ole liikkunut, kun taas kineettinen kitkavoima vaikuttaa, kun kappale liikkuu. Jos työnnät pöytää, mutta pöytä ei ole liikkunut, lepotilassa olevaan pöytään vaikuttava kitkavoima on staattinen kitkavoima. Kääntäen, kun pöytä liikkuu, pöytään vaikuttava kitkavoima on kineettistä kitkaa. Jos liikkuvaa pöytää ei työnnetä jatkuvasti, pöytä pysähtyy jonkin aikaa liikkuttuaan. Pöytä pysähtyy kineettisen kitkavoiman vuoksi, joka estää pöydän liikkeen.
Oletko koskaan liukastunut astuessasi sileälle alustalle? Liukastuessasi kengän pohjan tai sileäpintaisen sandaalien pohjan välinen kitkavoima on kineettistä kitkaa. Tämä ongelma on samanlainen kuin moottoripyörän tai auton liikkuessa märällä ja sileällä tiellä ja jarruttaessa, kunnes pyörä luistaa. Kun pyörät luistavat, pyörän pintaan ja tienpintaan vaikuttava kitkavoima on kineettistä kitkavoimaa. Kääntäen, kävellessä kengän pohjan tai sandaalien pohjan ja lattian pinnan välinen kitkavoima on staattinen kitkavoima. Vastaavasti, kun pyörät eivät luista, pyörän pintaan ja tienpintaan vaikuttava kitkavoima on staattista kitkavoimaa.
2.1 Staattinen kitkavoima
Staattinen kitkavoima on kitkavoima, joka vaikuttaa toisiaan koskettavien kappaleiden pintoihin, kun kappaleet eivät ole vielä liikkuneet.
Kuvassa 1 on kappale, joka on edelleen tasaisen pinnan päällä. Jos kappale ei ole vielä liikkunut, staattinen kitkavoima (fs) on pienempi kuin vetovoima (F). Jos vetoa jatketaan, kappale liikkuu. Kun oikea kappale liikkuu, staattisen kitkavoiman (fs) on yhtä suuri kuin vetovoiman (F) suuruus.
Newtonin ensimmäinen laki sanoo, että kappaleet ovat levossa, jos kokonaisvoima (resultanttivoima) on nolla.
ΣF y = 0 (Kappale lepää eikä liiku pystysuunnassa)
N – w = 0
N = w (1.2)
Korvaa yhtälön 1.1 N yhtälön 1.2 N:llä
fs = μsw
fs = μsmg ( 1.3)
fs = staattinen kitka (N), μs = staattinen kitkakerroin, N = normaalivoima (N), w = painovoima (N), m = massa (kg), g = painovoiman kiihtyvyys (m/ s² )
Jos haluat määrittää staattisen kitkakertoimen, käytä yhtälöä 1.1 b
Σf x = 0 (Kappale lepää eikä liiku vaakasuunnassa)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
Kun kappale alkaa liikkua, suurin staattinen kitkavoima on yhtä suuri kuin työntö- tai vetovoiman suuruus.
2.2 Kineettinen kitkavoima
Kineettinen kitkavoima on kitkavoima, joka vaikuttaa kappaleiden pintoihin, kun kappale koskettaa toisiaan, kun se liikkuu.
Jos haluat määrittää kineettisen kitkakertoimen (μk ) , käytä yhtälöä 1.5 b
Kuvassa 2 on esitetty kappale, jota vedetään säännöllisesti siten, että kappale liikkuu vakionopeudella. Vakionopeudella liikkuessa kineettisen kitkavoiman (fk) suuruus on yhtä suuri kuin vetovoiman (F) suuruus.
Newtonin ensimmäinen laki sanoo, että kappale liikkuu vakionopeudella, jos kokonaisvoima (resultanttivoima) on nolla.
ΣF x = 0 (kappaleet liikkuvat vakionopeudella vaakasuunnassa)
F – fk = 0
F = fk (1.6)
Esimerkkitehtävä 1:
Opiskelija vetää 1 kg:n massaista palkkia, joka on asetettu pöydän pinnalle, dynamometrin (voimanmittauslaitteen) avulla. Kun palkki liikkuu, dynamometri näyttää luvun 2 N. Jos painovoiman kiihtyvyys = 10 m/s² , määritä (a) staattisen kitkavoiman suuruus (b) staattisen kitkakerroin.
Ratkaisu:
Tunnettu : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) fs
Kun palkki liikkuu, staattisen kitkavoiman suuruus = vetovoiman suuruus (vrt. yhtälö 1.4). Joten fs = F = 2 N.
(b) μs
fs = μsw
2 N = (μs ) (10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Esimerkkitehtävä 2:
Pöydän pinnan yläpuolella olevaa 1 kg:n massaista palkkia vedetään säännöllisesti siten, että palkki liikkuu vakionopeudella. Kun palkki liikkuu vakionopeudella, dynamometri näyttää lukua 1 N. Jos painovoiman kiihtyvyys = 10 m/s² , määritä (a) kineettisen kitkavoiman suuruus (b) kineettisen kitkakerroin
Ratkaisu:
Tunnetaan: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Kun palkki liikkuu säännöllisesti tai vakionopeudella, kineettisen kitkavoiman suuruus = vetovoiman suuruus (vrt. yhtälö 1.6).
Joten fk = F = 1 N
(b) μk
fk = μkw
1 N = (μk ) (10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
