1. A súrlódási erő meghatározása
A súrlódás egy olyan ellenállás, amely az egymással érintkező tárgyak felületei között működik. Ebben a témában a vizsgált súrlódási erő két, egymással érintkező szilárd testfelület között ható súrlódási erőhöz kapcsolódik. Ilyen például a gerenda alapja és a padlófelület közötti súrlódás, a cipő alapja és a padlófelület közötti súrlódás, valamint az autó kerekei és az útfelület közötti súrlódás.
A súrlódási erő mindig hat a szilárd tárgyak felületén, amelyek érintkeznek egymással, még akkor is, ha a tárgyak nagyon simaak. Még a sima felületek is valójában nagyon érdesek mikroszkopikus szinten. Amikor egy tárgy mozog, ezek a mikroszkopikus bordák zavarják a mozgást. Atomi szinten a felületen lévő kiemelkedések miatt az atomok nagyon közel kerülnek más felületekhez, így az atomok közötti elektromos erők kémiai kötéseket hozhatnak létre, mint egy egyesülés a mozgó tárgy két felülete között. Amikor egy tárgy mozog, például amikor egy könyvet tolunk az asztal felületén, a könyv mozgása akadályokba ütközik, és végül megáll. Ez a kötés kialakulásának és feloldásának köszönhető.
Ha egy tárgy felülete egy másik tárgy felületéhez súrlódik, ezek a tárgyak egymás közötti súrlódásra építenek. A mozgó tárgyra ható súrlódási erő mindig ellentétes irányú a tárgy mozgási irányával. A tárgyak mozgásának gátlása mellett a súrlódás kopást és károsodást is okozhat. Ezt megfigyelhetjük a járműmotoron. Például, amikor kenőolajat adunk egy motorkerékpár motorjának, valójában csökkenteni akarjuk a motorban fellépő súrlódási erőt. Ha nem kap kenőolajat, a járműmotor gyorsan károsodik. Ez a példa a súrlódás okozta veszteségek egyike.
2. Típusai súrlódási erők
Kétféle súrlódási erő létezik, nevezetesen a statikus súrlódási erő (fs ) és a kinetikus súrlódási erő (fk ) . A statikus súrlódási erő akkor működik, amikor a tárgy nem mozdult, míg a kinetikus súrlódási erő akkor, amikor a tárgy mozog. Ha tolunk egy asztalt, de az asztal nem mozdult el, akkor a nyugalmi állapotban lévő asztalra ható súrlódási erő statikus súrlódási erő. Fordítva, amikor az asztal mozog, az asztalra ható súrlódási erő kinetikus súrlódás. Ha a mozgó asztalt nem folyamatosan toljuk, az asztal egy idő után megáll. Az asztal a kinetikus súrlódási erő miatt áll meg, amely blokkolja az asztal mozgását.
Csúszott már el sima felületen? Amikor megcsúszik, a cipő talpa vagy a sima felületű szandál talpa között ható súrlódási erő a kinetikus súrlódás. Ez a probléma hasonló ahhoz, mint amikor egy motorkerékpár vagy autó nedves és sima útfelületen mozog, és addig fékez, amíg a kerék meg nem csúszik. Amikor a kerekek megcsúsznak, a kerék felületére és az útfelületre ható súrlódási erő a kinetikus súrlódási erő. Fordítva, járás közben a cipő talpa vagy a szandál talpa és a padlófelület között ható súrlódási erő statikus súrlódási erő. Hasonlóképpen, amikor a kerekek nem csúsznak meg, a kerék felületére és az útfelületre ható súrlódási erő a statikus súrlódás.
2.1 Statikus súrlódási erő
A statikus súrlódási erő az egymással érintkező tárgyak felületén ható súrlódási erő, amikor a tárgyak még nem mozdultak el.
Az 1. ábra egy olyan tárgyat mutat, amely még mindig egy sík felületen van. Ha a tárgy még nem mozdult el, akkor a statikus súrlódási erő (fs) kisebb, mint a húzóerő (F). Ha továbbra is húzza, akkor a tárgy elmozdul. Amikor a jobb oldali tárgy elmozdul, a statikus súrlódási erő nagysága (fs) egyenlő a húzóerő nagyságával (F).
Newton első törvénye kimondja, hogy a testek nyugalmi állapotban vannak, ha a rájuk ható erő (eredő erő) nulla.
ΣF y = 0 (A tárgy nyugszik és nem mozdul függőleges irányban)
N – w = 0
N = w (1.2)
Cserélje ki az N-t az 1.1 egyenletben N-nel az 1.2 egyenletben
fs = μsw
fs = μsmg ( 1.3)
fs = statikus súrlódás (N), μs = statikus súrlódási együttható, N = normálerő (N), w = gravitáció (N), m = tömeg (kg), g = nehézségi gyorsulás (m/ s² )
Ha meg szeretnéd határozni a statikus súrlódási együtthatót, akkor használd az 1.1 b egyenletet.
Σf x = 0 (A tárgy nyugszik és nem mozdul vízszintes irányban)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
Amikor a tárgy mozogni kezd, a maximális statikus súrlódási erő megegyezik a toló- vagy húzóerő nagyságával.
2.2 Kinetikus súrlódási erő
A kinetikus súrlódási erő az a súrlódási erő, amely a mozgás közben egymással érintkező tárgyak felületére hat.
A kinetikus súrlódási együttható ( μk ) meghatározásához használja az 1.5b egyenletet.
A 2. ábra egy tárgyat mutat, amelyet szabályosan húznak, így a tárgy állandó sebességgel mozog. Állandó sebességgel történő mozgás esetén a kinetikus súrlódási erő nagysága (fk) megegyezik a húzóerő nagyságával (F).
Newton első törvénye kimondja, hogy egy tárgy állandó sebességgel mozog, ha a teljes erő (eredő erő) nulla.
ΣF x = 0 (a tárgyak állandó sebességgel mozognak vízszintes irányban)
F – fk = 0
F = fk ( 1.6)
1. mintafeladat:
Egy diák egy 1 kg tömegű gerendát húz egy dinamométer (erőmérő eszköz) segítségével, amely az asztallapon van elhelyezve. Amikor a gerenda elmozdul, a dinamométer 2 N értéket mutat. Ha a nehézségi gyorsulás = 10 m/s² , akkor határozza meg (a) a statikus súrlódási erő nagyságát (b) a statikus súrlódási együtthatót.
Megoldás:
Ismert : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f sz
Amikor a gerenda mozog, a statikus súrlódási erő nagysága = a húzóerő nagysága (vö. 1.4 egyenlet). Tehát f/ s = F = 2 N.
(b) μ s
fs = μsw
2 N = (μ s )(10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
2. mintafeladat:
Egy 1 kg tömegű gerendát, amely az asztallap felett helyezkedik el, szabályosan húzunk úgy, hogy a gerenda állandó sebességgel mozogjon. Amikor a gerenda állandó sebességgel mozog, a dinamométer 1 N értéket mutat. Ha a nehézségi gyorsulás = 10 m/s² , akkor határozd meg (a) a mozgási súrlódási erő nagyságát (b) a mozgási súrlódási együtthatót!
Megoldás:
Ismert: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Amikor a gerenda szabályosan vagy állandó sebességgel mozog, a kinetikus súrlódási erő nagysága = a húzóerő nagysága (vö. 1.6 egyenlet).
Tehát fk = F = 1/N
(b) μk
fk = μkw
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
