1. Definiția forței de frecare
Frecarea este o forță de rezistență care acționează între suprafețele obiectelor care se ating. În acest subiect, forța de frecare studiată este legată de forța de frecare care acționează între două suprafețe ale unui corp solid care se ating. Cum ar fi frecarea dintre baza grinzii și suprafața podelei, frecarea dintre baza pantofului și suprafața podelei, frecarea dintre roțile mașinii și suprafața drumului.
Forța de frecare acționează întotdeauna asupra suprafeței obiectelor solide care se ating între ele, chiar dacă obiectele sunt foarte netede. Chiar și suprafețele netede sunt de fapt foarte rugoase la scară microscopică. Când un obiect se mișcă, aceste creste microscopice interferează cu mișcarea. La nivel atomic, o proeminență la suprafață face ca atomii să fie foarte aproape de alte suprafețe, astfel încât forțele electrice dintre atomi pot forma legături chimice, ca o uniune între două suprafețe ale unui obiect în mișcare. Când un obiect se mișcă, de exemplu când împingi o carte pe suprafața mesei, mișcarea cărții întâlnește obstacole și în final se oprește. Acest lucru se datorează formării și eliberării legăturii.
Dacă suprafața unui obiect se freacă de suprafața unui alt obiect, fiecare dintre aceste obiecte acționează asupra frecării dintre ele. Forța de frecare asupra obiectului în mișcare este întotdeauna în direcția opusă direcției de mișcare a obiectului. Pe lângă faptul că inhibă mișcarea obiectelor, frecarea poate provoca uzură și daune. Putem observa acest lucru la motorul unui vehicul. De exemplu, atunci când furnizăm ulei de ungere motorului unei motociclete, dorim de fapt să reducem forța de frecare care apare în interiorul motorului. Dacă nu i se administrează ulei de ungere, motorul vehiculului nostru se deteriorează rapid. Acest exemplu este una dintre pierderile cauzate de frecare.
2. Tipuri de forte de frecare
Există două tipuri de forțe de frecare, și anume forța de frecare statică (fs ) și forța de frecare cinetică (fk ) . Forța de frecare statică acționează atunci când obiectul nu s-a mișcat, în timp ce forța de frecare cinetică acționează atunci când obiectul se mișcă. Dacă împingeți o masă, dar masa nu s-a mișcat, atunci forța de frecare care acționează asupra mesei aflate în repaus este o forță de frecare statică. În schimb, atunci când masa se mișcă, forța de frecare care acționează asupra mesei este frecare cinetică. Dacă masa în mișcare nu este împinsă întotdeauna, aceasta se va opri după o perioadă de mișcare. Masa se oprește din cauza forței de frecare cinetică care blochează mișcarea mesei.
Ai alunecat vreodată călcând pe ceva neted? Când aluneci, forța de frecare care acționează între baza pantofului sau talpa unei sandale cu o suprafață netedă este frecare cinetică. Această problemă este similară cu cea în care o motocicletă sau o mașină se deplasează pe o suprafață de drum umedă și netedă, frânând până când roata patinează. Când roțile patinează, forța de frecare care acționează asupra suprafeței roții și a suprafeței drumului este forța de frecare cinetică. În schimb, când mergi pe jos, forța de frecare care acționează între baza pantofului sau talpa sandalelor cu suprafața podelei este o forță de frecare statică. În mod similar, atunci când roțile nu patinează, forța de frecare care acționează asupra suprafeței roții și a drumului este frecare statică.
2.1 Forța de frecare statică
Forța de frecare statică este forța de frecare care acționează asupra suprafeței obiectelor care se ating reciproc atunci când obiectele nu s-au mișcat încă.
Figura 1 prezintă un obiect care se află încă pe suprafața unui plan plat. Dacă obiectul nu s-a mișcat încă, atunci forța statică de frecare (fs) este mai mică decât forța de tracțiune (F). Dacă continuă să fie tras, atunci obiectul se va mișca. Când obiectul din dreapta se va mișca, magnitudinea forței statice de frecare (fs) este egală cu magnitudinea forței de tracțiune (F).
Prima lege a lui Newton afirmă că obiectele sunt în repaus dacă forța totală (forța rezultantă) este zero.
ΣF y = 0 (Obiectul este în repaus și nu se mișcă pe verticală)
N – w = 0
N = w (1.2)
Înlocuiți N în ecuația 1.1 cu N în ecuația 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = frecare statică (N), μs = coeficientul de frecare statică, N = forța normală (N), w = gravitația (N), m = masa (kg), g = accelerația gravitațională (m/ s² )
Dacă doriți să determinați coeficientul de frecare statică, utilizați ecuația 1.1 b
Σf x = 0 (Obiectul se odihnește și nu se mișcă pe orizontală)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
Când obiectul începe să se miște, forța maximă de frecare statică este egală cu magnitudinea forței de împingere sau tragere.
2.2 Forța de frecare cinetică
Forța de frecare cinetică este forța de frecare care acționează asupra suprafeței obiectelor care se ating reciproc atunci când un obiect se mișcă.
Dacă doriți să determinați coeficientul de frecare cinetică (μk ) , utilizați ecuația 1.5b
Figura 2 prezintă un obiect tras regulat, astfel încât obiectul se mișcă cu o viteză constantă. Când se mișcă cu o viteză constantă, magnitudinea forței de frecare cinetică (fk) este egală cu magnitudinea forței de tracțiune (F).
Prima lege a lui Newton afirmă că un obiect se mișcă cu o viteză constantă dacă forța totală (forța rezultantă) este zero.
ΣF x = 0 (obiectele se mișcă cu o viteză constantă pe direcție orizontală)
F – fk = 0
F = fk ( 1.6)
Problema exemplu 1:
Un elev trage o grindă cu o masă de 1 kg, care este plasată pe suprafața mesei, folosind un dinamometru (un dispozitiv de măsurare a forței). Când grinda se mișcă, dinamometrul arată numărul 2 N. Dacă accelerația gravitațională = 10 m/s² , determinați (a) magnitudinea forței de frecare statică (b) coeficientul de frecare statică.
Soluţie:
Cunoscut : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Când grinda se va mișca, magnitudinea forței statice de frecare = magnitudinea forței de tracțiune (comparați ecuația 1.4). Deci, fs = F = 2 N.
(b) μs
f s = μ s w
2 N = (μs ) (10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Problema exemplu 2:
O grindă cu o masă de 1 kg situată deasupra suprafeței mesei este trasă regulat astfel încât grinda să se miște cu o viteză constantă. Când grinda se mișcă cu o viteză constantă, dinamometrul indică numărul 1 N. Dacă accelerația gravitațională = 10 m/s² , determinați (a) magnitudinea forței de frecare cinetică (b) coeficientul de frecare cinetică
Soluţie:
Cunoscut: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Când grinda se mișcă regulat sau cu o viteză constantă, magnitudinea forței de frecare cinetică = magnitudinea forței de tracțiune (comparați ecuația 1.6).
Deci f k = F = 1 N
(b) μk
f k = μ k w
1 N = (μk ) (10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
