घर्षण बल

१. घर्षण बलको परिभाषा

घर्षण भनेको एकअर्कालाई छुने वस्तुहरूको सतहहरू बीच काम गर्ने तान्ने कार्य हो। यस विषयमा, अध्ययन गरिएको घर्षण बल दुई ठोस शरीर सतहहरू बीच काम गर्ने घर्षण बलसँग सम्बन्धित छ जुन छुन्छ। जस्तै बीमको आधार र भुइँको सतह बीच घर्षण, जुत्ताको आधार र भुइँको सतह बीच घर्षण, कारको पाङ्ग्रा र सडकको सतह बीच घर्षण।

घर्षण बलले सधैं ठोस वस्तुहरूको सतहमा काम गर्छ जुन एकअर्कालाई छुन्छ, यद्यपि वस्तुहरू धेरै चिल्लो हुन्छन्। चिल्लो सतहहरू पनि वास्तवमा सूक्ष्म स्केलमा धेरै नराम्रा हुन्छन्। जब कुनै वस्तु चल्छ, यी सूक्ष्म धारहरूले गतिमा हस्तक्षेप गर्छन्। परमाणु स्तरमा, सतहमा फैलावटले परमाणुहरूलाई अन्य सतहहरूको धेरै नजिक बनाउँछ, जसले गर्दा परमाणुहरू बीचको विद्युतीय बलहरूले रासायनिक बन्धनहरू बनाउन सक्छन्, जुन चलिरहेको वस्तुको दुई सतहहरू बीचको मिलनको रूपमा हुन्छ। जब कुनै वस्तु चल्छ, उदाहरणका लागि जब तपाईं टेबलको सतहमा पुस्तक धकेल्नुहुन्छ, पुस्तकको चालले अवरोधहरू अनुभव गर्छ र अन्ततः रोकिन्छ। यो बन्धनको गठन र रिलीजको कारणले हो।

यदि कुनै वस्तुको सतह अर्को वस्तुको सतहसँग रगड्छ भने, यी प्रत्येक वस्तुहरू एकअर्काको घर्षणमा काम गर्छन्। चलिरहेको वस्तुमा घर्षण बल सधैं वस्तुको चालको दिशाको विपरीत दिशामा हुन्छ। वस्तुहरूको गतिलाई रोक्नुको साथै, घर्षणले घिसार्ने र क्षति पुर्‍याउन सक्छ। हामी यो गाडीको इन्जिनमा अवलोकन गर्न सक्छौं। उदाहरणका लागि, जब हामी मोटरसाइकल इन्जिनमा लुब्रिकेटिंग तेल प्रदान गर्छौं, हामी वास्तवमा इन्जिन भित्र हुने घर्षण बल कम गर्न चाहन्छौं। यदि यसलाई लुब्रिकेटिंग तेल दिइएन भने, हाम्रो गाडीको इन्जिन चाँडै बिग्रन्छ। यो उदाहरण घर्षणबाट हुने क्षतिहरू मध्ये एक हो।

१ प्रकार घर्षण बलहरू

घर्षण बल दुई प्रकारका हुन्छन्, अर्थात् स्थिर घर्षण बल (f _s ) र गतिज घर्षण बल (f _k )। स्थिर घर्षण बलले वस्तु नचलेको बेला काम गर्छ, जबकि गतिज घर्षण बलले वस्तु चलिरहेको बेला काम गर्छ। यदि तपाईंले टेबल धकेल्नुभयो, तर टेबल सरेको छैन भने, आराममा रहेको टेबलमा काम गर्ने घर्षण बल स्थिर घर्षण बल हो। यसको विपरीत, जब टेबल चलिरहेको हुन्छ, टेबलमा काम गर्ने घर्षण बल गतिज घर्षण हो। यदि चलिरहेको टेबल सधैं धकेलिएको छैन भने, टेबल केही समयको लागि चलिरहेको बेला रोकिनेछ। टेबलको चाललाई रोक्ने गतिज घर्षण बलको कारणले टेबल रोकिन्छ।

के तपाईंले कहिल्यै चिल्लो चीजमा पाइला टेक्दा चिप्लनुभयो? जब तपाईं चिप्लनुहुन्छ, जुत्ताको आधार वा चिल्लो सतह भएको चप्पलको तल्लो भाग बीच काम गर्ने घर्षण बल गतिज घर्षण हो। यो समस्या मोटरसाइकल वा कारले भिजेको र चिल्लो सडक सतहमाथि घुम्दा, पाङ्ग्रा चिप्लिएसम्म ब्रेक लगाउँदा जस्तै हुन्छ। जब पाङ्ग्रा चिप्लिन्छ, पाङ्ग्राको सतह र सडक सतहमा काम गर्ने घर्षण बल गतिज घर्षण बल हो। यसको विपरीत, जब तपाईं हिँड्नुहुन्छ, जुत्ताको आधार वा भुइँको सतहसँग स्यान्डलको तल्लो भाग बीच काम गर्ने घर्षण बल स्थिर घर्षण बल हो। त्यस्तै गरी, जब पाङ्ग्रा चिप्लिँदैन, पाङ्ग्रा र सडकको सतहमा काम गर्ने घर्षण बल स्थिर घर्षण बल हो।

२.१ स्थिर घर्षण बल

स्थिर घर्षण बल भनेको वस्तुहरूको सतहमा काम गर्ने घर्षण बल हो जुन वस्तुहरू अझै सरेका छैनन् जब एकअर्कालाई छुन्छ।

चित्र १ ले एउटा वस्तु देखाउँछ जुन अझै पनि समतल समतलको सतहमा छ। यदि वस्तु अझै सरेको छैन भने, स्थिर घर्षण बल (fs) तान्ने बल (F) भन्दा सानो हुन्छ। यदि यसलाई तान्ने क्रम जारी रह्यो भने, वस्तु सर्नेछ। जब सही वस्तु सर्नेछ, स्थिर घर्षण बलको परिमाण (f_s) तान्ने बल (F) को परिमाण बराबर हुन्छ।

न्यूटनको पहिलो नियमले बताउँछ कि यदि कुल बल (परिणामी बल) शून्य छ भने वस्तुहरू आराम हुन्छन्।

ΣF _y = 0 (वस्तुलाई आराम दिनुहोस् र ठाडो दिशामा नजानुहोस्)

N – w = ०

N = w (१.२)

समीकरण १.१ मा रहेको N लाई समीकरण १.२ मा रहेको N ले बदल्नुहोस्।

f _s = μ _s w

f _s = μ _s मिलीग्राम (१.३)

fs = स्थिर घर्षण (N), μs = स्थिर घर्षणको गुणांक, N = सामान्य बल (N), w = गुरुत्वाकर्षण (N), m = द्रव्यमान (kg), g = गुरुत्वाकर्षणको प्रवेग (m/s ² )

यदि तपाईं स्थिर घर्षणको गुणांक निर्धारण गर्न चाहनुहुन्छ भने, समीकरण १.१ b प्रयोग गर्नुहोस्।

Σf _x = 0 (वस्तु स्थिर रहन्छ र तेर्सो दिशामा सर्दैन)

F – f _s = ०

F = f _s (१.४)

जब वस्तु चल्न थाल्छ, अधिकतम स्थिर घर्षण बल धक्का वा तान्ने बलको परिमाण बराबर हुन्छ।

२.२ गतिज घर्षण बल

गतिज घर्षण बल भनेको वस्तु चलिरहेको बेला एकअर्कालाई छुने वस्तुहरूको सतहमा काम गर्ने घर्षण बल हो।

यदि तपाईं गतिज घर्षणको गुणांक (μ _k ) निर्धारण गर्न चाहनुहुन्छ भने, समीकरण १.५ b प्रयोग गर्नुहोस्।

चित्र २ ले कुनै वस्तुलाई नियमित रूपमा तानिएको देखाउँछ जसले गर्दा वस्तु स्थिर गतिमा चल्छ। स्थिर गतिमा चल्दा, गतिज घर्षण बल (fk) को परिमाण तान्ने बल (F) को परिमाण बराबर हुन्छ।

न्यूटनको पहिलो नियमले बताउँछ कि यदि कुल बल (परिणामी बल) शून्य छ भने वस्तु स्थिर गतिमा चल्छ।

ΣF _x = ० (वस्तुहरू तेर्सो दिशामा स्थिर गतिमा सर्छन्)

F – f _k = ०

F = f _k (१.६)

नमुना समस्या १:

एक विद्यार्थीले डायनामोमिटर (बल मापन गर्ने उपकरण) प्रयोग गरेर टेबलको सतहमा रहेको १ किलोग्राम भार भएको किरण तान्छन्। जब किरण सर्छ, डायनामोमिटरले २ N नम्बर देखाउँछ। यदि गुरुत्वाकर्षणको प्रवेग = १० m/s ^२ , (a) स्थिर घर्षण बलको परिमाण (b) स्थिर घर्षणको गुणांक निर्धारण गर्नुहोस्।

समाधान:

ज्ञात : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s ² , w = mg = 10 N

(क) च _स

जब किरण सर्छ, स्थिर घर्षण बलको परिमाण = तान्ने बलको परिमाण (समीकरण १.४ तुलना गर्नुहोस्)। त्यसैले, f _s = F = २ N।

(ख) _μs

f _s = μ _s w

२ एन = (μ _{सेकेन्ड} )(१० एन)

μs = २ N / १० N = _०.२

नमुना समस्या १:

टेबलको सतह माथि रहेको १ किलोग्राम भार भएको किरणलाई नियमित रूपमा तानिन्छ ताकि किरण स्थिर गतिमा चलोस्। जब किरण स्थिर गतिमा चलोस्, डायनामोमिटरले १ N नम्बर देखाउँछ। यदि गुरुत्वाकर्षणको प्रवेग = १० m/s ^{२ छ} भने , (a) गतिज घर्षण बलको परिमाण (b) गतिज घर्षणको गुणांक निर्धारण गर्नुहोस्।

समाधान:

ज्ञात: m = १ किलोग्राम, g = १० m/s ^२ , F = १ N, w = mg = १० N

(क) च _के

जब किरण नियमित रूपमा सर्छ वा स्थिर गतिमा सर्छ, गतिज घर्षण बलको परिमाण = तान्ने बलको परिमाण (समीकरण १.६ तुलना गर्नुहोस्)।

त्यसैले f _k = F = 1 N

(ख) _μk

f _k = μ _k w

१ नाइट = (μk ₎ (१० नाइट)

μ _k = १ N / १० N = ०.१