1. Definitie van wrijvingskracht
Wrijving is een weerstand die optreedt tussen de oppervlakken van objecten die elkaar raken. In dit onderwerp wordt de wrijvingskracht bestudeerd die werkt tussen twee vaste lichamen waarvan de oppervlakken elkaar raken. Voorbeelden hiervan zijn de wrijving tussen de voet van een balk en de vloer, de wrijving tussen de zool van een schoen en de vloer, en de wrijving tussen de wielen van een auto en het wegdek.
De wrijvingskracht werkt altijd op het oppervlak van vaste objecten die elkaar raken, zelfs als de objecten erg glad zijn. Zelfs gladde oppervlakken zijn op microscopisch niveau in werkelijkheid erg ruw. Wanneer een object beweegt, belemmeren deze microscopische ribbels de beweging. Op atomair niveau zorgt een uitstulping op het oppervlak ervoor dat atomen heel dicht bij andere oppervlakken komen te liggen, waardoor de elektrische krachten tussen atomen chemische bindingen kunnen vormen, als een verbinding tussen twee oppervlakken van een bewegend object. Wanneer een object beweegt, bijvoorbeeld wanneer je een boek over een tafelblad duwt, ondervindt de beweging van het boek weerstand en komt uiteindelijk tot stilstand. Dit komt door de vorming en het verbreken van de binding.
Als het oppervlak van een object tegen het oppervlak van een ander object wrijft, oefenen beide objecten wrijving op elkaar uit. De wrijvingskracht op het bewegende object is altijd tegengesteld aan de bewegingsrichting van het object. Naast het afremmen van de beweging van objecten, kan wrijving slijtage en schade veroorzaken. Dit kunnen we bijvoorbeeld zien bij een motorblok. Wanneer we bijvoorbeeld smeerolie toevoegen aan een motorfietsmotor, willen we de wrijvingskracht in de motor verminderen. Zonder smeerolie raakt de motor snel beschadigd. Dit voorbeeld illustreert de schade die wrijving kan veroorzaken.
2. Soorten wrijvingskrachten
Er zijn twee soorten wrijvingskrachten, namelijk de statische wrijvingskracht (fs ) en de kinetische wrijvingskracht (fk ) . De statische wrijvingskracht werkt wanneer het object niet beweegt, terwijl de kinetische wrijvingskracht werkt wanneer het object beweegt. Als je een tafel duwt, maar de tafel beweegt niet, dan is de wrijvingskracht die op de stilstaande tafel werkt een statische wrijvingskracht. Omgekeerd, wanneer de tafel beweegt, is de wrijvingskracht die op de tafel werkt een kinetische wrijvingskracht. Als de bewegende tafel niet constant wordt geduwd, zal de tafel na een tijdje stoppen. De tafel stopt door de kinetische wrijvingskracht die de beweging van de tafel blokkeert.
Ben je wel eens uitgegleden op een glad oppervlak? Als je uitglijdt, is de wrijvingskracht tussen de zool van je schoen of sandaal en het gladde oppervlak kinetische wrijving. Dit is vergelijkbaar met een motor of auto die over een nat en glad wegdek rijdt en remt tot een wiel slipt. Wanneer de wielen slippen, is de wrijvingskracht tussen het wiel en het wegdek kinetische wrijving. Omgekeerd geldt voor lopen dat de wrijvingskracht tussen de zool van je schoen of sandaal en de vloer statische wrijving is. Wanneer de wielen niet slippen, is de wrijvingskracht tussen het wiel en het wegdek statische wrijving.
2.1 Statische wrijvingskracht
De statische wrijvingskracht is de wrijvingskracht die werkt op het oppervlak van objecten die elkaar raken, voordat de objecten in beweging komen.
Figuur 1 toont een object dat zich nog op het oppervlak van een vlak bevindt. Als het object nog niet is bewogen, is de statische wrijvingskracht (fs) kleiner dan de trekkracht (F). Als er wel aan getrokken wordt, zal het object bewegen. Wanneer het object beweegt, zal de grootte van de statische wrijvingskracht (fs) groter worden.s) is gelijk aan de grootte van de trekkracht (F).
Volgens de eerste wet van Newton zijn objecten in rust als de totale kracht (de resulterende kracht) nul is.
ΣF y = 0 (Object is in rust en beweegt niet in verticale richting)
N – w = 0
N = w (1.2)
Vervang N in vergelijking 1.1 door N in vergelijking 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = statische wrijving (N), μs = coëfficiënt van statische wrijving, N = normaalkracht (N), w = zwaartekracht (N), m = massa (kg), g = zwaartekrachtversnelling (m/ s² )
Als je de coëfficiënt van statische wrijving wilt bepalen, gebruik dan vergelijking 1.1b.
Σf x = 0 (Het object is in rust en beweegt niet in horizontale richting)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Wanneer het object in beweging komt, is de maximale statische wrijvingskracht gelijk aan de grootte van de duw- of trekkracht.
2.2 Kinetische wrijvingskracht
De kinetische wrijvingskracht is de wrijvingskracht die werkt op de oppervlakken van objecten die elkaar raken wanneer een object in beweging is.
Als je de coëfficiënt van kinetische wrijving ( μk ) wilt bepalen , gebruik dan vergelijking 1.5b.
Figuur 2 toont een object dat regelmatig wordt getrokken, zodat het object met een constante snelheid beweegt. Bij een constante snelheid is de grootte van de kinetische wrijvingskracht (fk) gelijk aan de grootte van de trekkracht (F).
De eerste wet van Newton stelt dat een object met een constante snelheid beweegt als de totale kracht (de resulterende kracht) nul is.
ΣF x = 0 (objecten bewegen met een constante snelheid in horizontale richting)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Voorbeeldopgave 1:
Een leerling trekt aan een balk met een massa van 1 kg die op een tafelblad ligt, met behulp van een dynamometer (een krachtmeetinstrument). Wanneer de balk beweegt, geeft de dynamometer een waarde van 2 N aan. Als de zwaartekrachtversnelling = 10 m/s² , bepaal dan (a) de grootte van de statische wrijvingskracht en (b) de coëfficiënt van statische wrijving.
Oplossing:
Gegevens : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Wanneer de balk beweegt, is de grootte van de statische wrijvingskracht gelijk aan de grootte van de trekkracht (vergelijk vergelijking 1.4). Dus f s = F = 2 N.
(b) μ s
f s = μ s w
2 N = (μ s )(10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Voorbeeldopgave 2:
Een balk met een massa van 1 kg bevindt zich boven het tafelblad en wordt regelmatig getrokken, zodat de balk met een constante snelheid beweegt. Wanneer de balk met een constante snelheid beweegt, geeft de dynamometer een waarde van 1 N aan. Als de zwaartekrachtversnelling = 10 m/s² , bepaal dan (a) de grootte van de kinetische wrijvingskracht en (b) de wrijvingscoëfficiënt.
Oplossing:
Gegevens: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Wanneer de balk regelmatig beweegt of met een constante snelheid beweegt, is de grootte van de kinetische wrijvingskracht gelijk aan de grootte van de trekkracht (vergelijk vergelijking 1.6).
Dus f k = F = 1 N
(b) μ k
f k = μ k w
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
