1. Definisjon av friksjonskraft
Friksjon er en luftmotstand som virker mellom overflatene på objekter som berører hverandre. I dette emnet er friksjonskraften som studeres relatert til friksjonskraften som virker mellom to faste kroppsflater som berører hverandre. For eksempel friksjon mellom bjelkens base og gulvflaten, friksjon mellom skoens base og gulvflaten, friksjon mellom bilens hjul og veibanen.
Friksjonskraften virker alltid på overflaten av faste objekter som berører hverandre, selv om objektene er veldig glatte. Selv glatte overflater er faktisk veldig ru på mikroskopisk skala. Når et objekt beveger seg, forstyrrer disse mikroskopiske kantene bevegelsen. På atomnivå fører en fremspring på overflaten til at atomer er veldig nær andre overflater, slik at de elektriske kreftene mellom atomer kan danne kjemiske bindinger, som en forening mellom to overflater av et objekt i bevegelse. Når et objekt beveger seg, for eksempel når du skyver en bok på bordoverflaten, møter bokens bevegelse hindringer og stopper til slutt. Dette skyldes dannelsen og frigjøringen av bindingen.
Hvis overflaten på en gjenstand gnis mot overflaten på en annen gjenstand, vil hvert av disse gjenstandene virke på friksjon mellom hverandre. Friksjonskraften på den bevegelige gjenstanden er alltid i motsatt retning av gjenstandens bevegelsesretning. I tillegg til å hemme gjenstanders bevegelse, kan friksjon forårsake slitasje og skade. Vi kan observere dette på en bilmotor. For eksempel, når vi tilfører smøreolje til en motorsykkelmotor, ønsker vi faktisk å redusere friksjonskraften som oppstår inne i motoren. Hvis den ikke får smøreolje, vil bilmotoren vår raskt bli skadet. Dette eksemplet er et av tapene forårsaket av friksjon.
2. Typer av friksjonskrefter
Det finnes to typer friksjonskrefter, nemlig den statiske friksjonskraften (fs) og den kinetiske friksjonskraften (fk). Den statiske friksjonskraften virker når objektet ikke har beveget seg, mens den kinetiske friksjonskraften virker når objektet beveger seg. Hvis du dytter et bord, men bordet ikke har beveget seg, er friksjonskraften som virker på bordet som er i ro en statisk friksjonskraft. Motsatt, når bordet beveger seg, er friksjonskraften som virker på bordet kinetisk friksjon. Hvis det bevegelige bordet ikke alltid dyttes, vil bordet stoppe etter å ha beveget seg en stund. Bordet stopper på grunn av den kinetiske friksjonskraften som blokkerer bordets bevegelse.
Har du noen gang sklidd da du tråkket på noe glatt? Når du sklir, er friksjonskraften som virker mellom skoens underside eller undersiden av en sandal med glatt overflate, kinetisk friksjon. Dette problemet ligner på når en motorsykkel eller bil beveger seg over en våt og glatt veibane og bremser til hjulet sklir. Når hjulene sklir, er friksjonskraften som virker på hjuloverflaten og veibanen, kinetisk friksjonskraft. Omvendt, når du går, er friksjonskraften som virker mellom skoens underside eller undersiden av sandalene og gulvflaten en statisk friksjonskraft. På samme måte, når hjulene ikke sklir, er friksjonskraften som virker på hjuloverflaten og veibanen statisk friksjon.
2.1 Statisk friksjonskraft
Den statiske friksjonskraften er friksjonskraften som virker på overflaten av objekter som berører hverandre når objektene ennå ikke har beveget seg.
Figur 1 viser et objekt som fortsatt er på overflaten av et flatt plan. Hvis objektet ikke har beveget seg ennå, er den statiske friksjonskraften (fs) mindre enn trekkraften (F). Hvis det fortsetter å bli trukket, vil objektet bevege seg. Når det høyre objektet beveger seg, vil størrelsen på den statiske friksjonskraften (fs) er lik størrelsen på trekkraften (F).
Newtons første lov sier at objekter er i ro hvis den totale kraften (resulterende kraft) er null.
ΣFy = 0 (Objektet hviler og beveger seg ikke i vertikal retning)
N – w = 0
N = w (1.2)
Erstatt N i ligning 1.1 med N i ligning 1.2
fs = μs w
fs = μs mg (1.3)
fs = statisk friksjon (N), μs = statisk friksjonskoeffisient, N = normalkraft (N), w = tyngdekraft (N), m = masse (kg), g = tyngdeakselerasjon (m/s)2)
Hvis du vil bestemme den statiske friksjonskoeffisienten, bruk ligning 1.1 b
Σfx = 0 (Objektet hviler og beveger seg ikke i horisontal retning)
F – fs = 0
F = fs (1.4)
Når objektet begynner å bevege seg, er den maksimale statiske friksjonskraften lik størrelsen på skyve- eller trekkekraften.
2.2 Kinetisk friksjonskraft
Den kinetiske friksjonskraften er friksjonskraften som virker på overflaten av objekter som berører hverandre når et objekt beveger seg.
Hvis du vil bestemme den kinetiske friksjonskoeffisienten (μk), bruk ligning 1.5 b
Figur 2 viser et objekt som trekkes regelmessig slik at objektet beveger seg med konstant hastighet. Når objektet beveger seg med konstant hastighet, er størrelsen på den kinetiske friksjonskraften (fk) lik størrelsen på trekkraften (F).
Newtons første lov sier at et objekt beveger seg med konstant hastighet hvis den totale kraften (resulterende kraft) er null.
ΣFx = 0 (objekter beveger seg med konstant hastighet i horisontal retning)
F – fk = 0
F = fk (1.6)
Eksempelproblem 1:
En elev trekker en bjelke med en masse på 1 kg som er plassert på bordflaten ved hjelp av et dynamometer (en kraftmåler). Når bjelken beveger seg, viser dynamometeret tallet 2 N. Hvis tyngdeakselerasjonen = 10 m/s2, bestem (a) størrelsen på den statiske friksjonskraften (b) koeffisienten for statisk friksjon
Løsning:
kjent: m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s2, w = mg = 10 N
(a) fs
Når bjelken beveger seg, er størrelsen på den statiske friksjonskraften = størrelsen på trekkraften (sammenlign ligning 1.4). Så, fs = F = 2 N.
(b) μs
fs = μs w
2 N = (μs)(10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Eksempelproblem 2:
En bjelke med en masse på 1 kg plassert over bordflaten trekkes regelmessig slik at bjelken beveger seg med konstant hastighet. Når bjelken beveger seg med konstant hastighet, viser dynamometeret tallet 1 N. Hvis tyngdeakselerasjonen = 10 m/s2, bestem (a) størrelsen på den kinetiske friksjonskraften (b) koeffisienten for kinetisk friksjon
Løsning:
Kjent: m = 1 kg, g = 10 m/s2, F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) fk
Når bjelken beveger seg regelmessig eller med konstant hastighet, er størrelsen på den kinetiske friksjonskraften = størrelsen på trekkraften (sammenlign ligning 1.6).
Så fk = F = 1 N
(b) μk
fk = μk w
1 N = (μk)(10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
