1. Definicja siły tarcia
Tarcie to opór działający między powierzchniami stykających się ze sobą obiektów. W tym temacie badana siła tarcia jest powiązana z siłą tarcia działającą między dwiema stykającymi się powierzchniami ciała stałego. Należą do nich tarcie między podstawą belki a powierzchnią podłogi, tarcie między podstawą buta a powierzchnią podłogi, tarcie między kołami samochodu a powierzchnią drogi.
Siła tarcia zawsze działa na powierzchnię ciał stałych, które się stykają, nawet jeśli są one bardzo gładkie. Nawet gładkie powierzchnie są w rzeczywistości bardzo szorstkie w skali mikroskopowej. Gdy obiekt się porusza, te mikroskopijne grzbiety zakłócają ruch. Na poziomie atomowym, wypustka na powierzchni powoduje, że atomy znajdują się bardzo blisko innych powierzchni, dzięki czemu siły elektryczne między atomami mogą tworzyć wiązania chemiczne, jako połączenie między dwiema powierzchniami poruszającego się obiektu. Gdy obiekt się porusza, na przykład gdy popychasz książkę po powierzchni stołu, ruch książki napotyka przeszkody i ostatecznie się zatrzymuje. Dzieje się tak z powodu tworzenia i rozluźniania wiązania.
Jeśli powierzchnia jednego przedmiotu ociera się o powierzchnię innego przedmiotu, każdy z tych przedmiotów działa na zasadzie tarcia między sobą. Siła tarcia działająca na poruszający się przedmiot jest zawsze skierowana przeciwnie do kierunku ruchu przedmiotu. Oprócz hamowania ruchu przedmiotów, tarcie może powodować zużycie i uszkodzenia. Możemy to zaobserwować w silniku pojazdu. Na przykład, dostarczając olej smarujący do silnika motocykla, chcemy zmniejszyć siłę tarcia występującą wewnątrz silnika. Bez oleju smarującego silnik pojazdu szybko ulega uszkodzeniu. Ten przykład jest jednym ze strat spowodowanych tarciem.
2. Rodzaje siły tarcia
Istnieją dwa rodzaje sił tarcia, mianowicie siła tarcia statycznego (f s ) i siła tarcia kinetycznego (f k ). Siła tarcia statycznego działa, gdy obiekt się nie porusza, podczas gdy siła tarcia kinetycznego działa, gdy obiekt się porusza. Jeśli pchasz stół, ale stół się nie porusza, to siła tarcia działająca na stół w spoczynku jest siłą tarcia statycznego. I odwrotnie, gdy stół się porusza, siła tarcia działająca na stół jest tarciem kinetycznym. Jeśli ruchomy stół nie jest stale pchany, stół zatrzyma się po pewnym czasie ruchu. Stół zatrzymuje się z powodu siły tarcia kinetycznego, która blokuje ruch stołu.
Czy kiedykolwiek poślizgnąłeś się, stając na czymś gładkim? Kiedy się poślizgniesz, siła tarcia działająca między podstawą buta lub spodem sandała o gładkiej powierzchni jest tarciem kinetycznym. Ten problem jest podobny do sytuacji, gdy motocykl lub samochód porusza się po mokrej i gładkiej nawierzchni drogi, hamując, aż koło wpadnie w poślizg. Kiedy koła się ślizgają, siła tarcia działająca na powierzchnię koła i nawierzchnię drogi jest siłą tarcia kinetycznego. I odwrotnie, kiedy chodzisz, siła tarcia działająca między podstawą buta lub spodem sandała a powierzchnią podłogi jest siłą tarcia statycznego. Podobnie, gdy koła się nie ślizgają, siła tarcia działająca na powierzchnię koła i nawierzchnię drogi jest tarciem statycznym.
2.1 Siła tarcia statycznego
Siła tarcia statycznego to siła tarcia działająca na powierzchnię stykających się ze sobą obiektów, gdy obiekty te nie znajdują się jeszcze w ruchu.
Rysunek 1 przedstawia obiekt, który nadal znajduje się na płaskiej powierzchni. Jeśli obiekt nie poruszył się jeszcze, siła tarcia statycznego (fs) jest mniejsza niż siła przyciągania (F). Jeśli obiekt będzie nadal ciągnięty, obiekt będzie się poruszał. Gdy odpowiedni obiekt zacznie się poruszać, wartość siły tarcia statycznego (fs) równa się wielkości siły ciągnącej (F).
Pierwsze prawo Newtona głosi, że ciała pozostają w spoczynku, jeżeli całkowita siła (siła wypadkowa) jest równa zero.
ΣF y = 0 (Obiekt spoczywa i nie porusza się w kierunku pionowym)
N – w = 0
N = w (1.2)
Zastąp N w równaniu 1.1 przez N w równaniu 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = tarcie statyczne (N), μs = współczynnik tarcia statycznego, N = siła normalna (N), w = grawitacja (N), m = masa (kg), g = przyspieszenie ziemskie (m/s 2 )
Jeśli chcesz wyznaczyć współczynnik tarcia statycznego, skorzystaj z równania 1.1 b
Σf x = 0 (Obiekt spoczywa i nie porusza się w kierunku poziomym)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Gdy obiekt zaczyna się poruszać, maksymalna siła tarcia statycznego jest równa wartości siły pchania lub ciągnięcia.
2.2 Siła tarcia kinetycznego
Siła tarcia kinetycznego to siła tarcia działająca na powierzchnię obiektów, które się ze sobą stykają, gdy obiekt jest w ruchu.
Jeżeli chcesz wyznaczyć współczynnik tarcia kinetycznego (μ k ), skorzystaj z równania 1.5 b
Rysunek 2 przedstawia obiekt ciągnięty regularnie, tak aby poruszał się ze stałą prędkością. Podczas ruchu ze stałą prędkością wartość siły tarcia kinetycznego (fk) jest równa wartości siły ciągnącej (F).
Pierwsze prawo Newtona głosi, że ciało porusza się ze stałą prędkością, jeżeli całkowita siła (siła wypadkowa) jest równa zero.
ΣF x = 0 (obiekty poruszają się ze stałą prędkością w kierunku poziomym)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Przykładowy problem 1:
Uczeń ciągnie belkę o masie 1 kg, umieszczoną na powierzchni stołu, za pomocą dynamometru (urządzenia do pomiaru siły). Gdy belka się poruszy, dynamometr wskazuje wartość 2 N. Jeśli przyspieszenie ziemskie wynosi 10 m/s2 , określ (a) wartość siły tarcia statycznego (b) współczynnik tarcia statycznego.
Rozwiązanie:
Znane : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s 2 , w = mg = 10 N
(a) f s
Gdy belka się porusza, wartość siły tarcia statycznego równa się wartości siły ciągnącej (porównaj równanie 1.4). Zatem f s = F = 2 N.
(b) μ s
f s = μ s w
2 N = (μs ) (10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Przykładowy problem 2:
Belka o masie 1 kg umieszczona nad powierzchnią stołu jest ciągnięta regularnie, tak aby poruszała się ze stałą prędkością. Gdy belka porusza się ze stałą prędkością, dynamometr wskazuje wartość 1 N. Jeśli przyspieszenie ziemskie = 10 m/s2 , określ (a) wartość siły tarcia kinetycznego, (b) współczynnik tarcia kinetycznego.
Rozwiązanie:
Znane: m = 1 kg, g = 10 m/s2 , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Gdy belka porusza się regularnie lub ze stałą prędkością, wartość siły tarcia kinetycznego jest równa wartości siły ciągnącej (porównaj równanie 1.6).
Więc 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
