1. Sürtünme kuvvetinin tanımı
Sürtünme, birbirine temas eden cisimlerin yüzeyleri arasında oluşan bir dirençtir. Bu konuda incelenen sürtünme kuvveti, birbirine temas eden iki katı cisim yüzeyi arasında etki eden sürtünme kuvvetiyle ilgilidir. Örneğin, kirişin tabanı ile zemin yüzeyi arasındaki sürtünme, ayakkabının tabanı ile zemin yüzeyi arasındaki sürtünme, arabanın tekerlekleri ile yol yüzeyi arasındaki sürtünme gibi.
Sürtünme kuvveti, birbirine temas eden katı cisimlerin yüzeylerinde, cisimler çok pürüzsüz olsa bile, her zaman etki eder. Pürüzsüz yüzeyler bile mikroskobik ölçekte aslında çok pürüzlüdür. Bir cisim hareket ettiğinde, bu mikroskobik çıkıntılar hareketi engeller. Atomik düzeyde, yüzeydeki bir çıkıntı, atomların diğer yüzeylere çok yakın olmasına neden olur, böylece atomlar arasındaki elektriksel kuvvetler, hareket eden bir cismin iki yüzeyi arasında bir birlik olarak kimyasal bağlar oluşturabilir. Örneğin, bir kitabı masa yüzeyinde ittiğinizde, kitabın hareketi engellerle karşılaşır ve sonunda durur. Bu, bağın oluşması ve çözülmesinden kaynaklanır.
Bir cismin yüzeyi başka bir cismin yüzeyine sürtünürse, bu cisimlerin her biri birbirine sürtünme kuvveti uygular. Hareket eden cisim üzerindeki sürtünme kuvveti her zaman cismin hareket yönünün tersi yöndedir. Sürtünme, cisimlerin hareketini engellemenin yanı sıra aşınmaya ve hasara da neden olabilir. Bunu araç motorunda gözlemleyebiliriz. Örneğin, bir motosiklet motoruna yağlama yağı verdiğimizde, aslında motorun içinde oluşan sürtünme kuvvetini azaltmak istiyoruz. Yağlama yağı verilmezse, araç motorumuz hızla hasar görür. Bu örnek, sürtünmenin neden olduğu kayıplardan biridir.
2. Türleri sürtünme kuvvetleri
Sürtünme kuvvetlerinin iki türü vardır: statik sürtünme kuvveti (fs ) ve kinetik sürtünme kuvveti (fk ) . Statik sürtünme kuvveti, cisim hareket etmediğinde, kinetik sürtünme kuvveti ise cisim hareket halindeyken etki eder. Bir masayı iterseniz, ancak masa hareket etmiyorsa, hareketsiz haldeki masaya etki eden sürtünme kuvveti statik sürtünme kuvvetidir. Tersine, masa hareket halindeyken, masaya etki eden sürtünme kuvveti kinetik sürtünmedir. Hareket eden masa sürekli itilmezse, bir süre hareket ettikten sonra duracaktır. Masa, hareketini engelleyen kinetik sürtünme kuvveti nedeniyle durur.
Pürüzsüz bir zemine basarken hiç kaydınız mı? Kaydığınızda, ayakkabının tabanı veya sandalet tabanı ile pürüzsüz yüzey arasında oluşan sürtünme kuvveti kinetik sürtünmedir. Bu sorun, bir motosiklet veya arabanın ıslak ve pürüzsüz bir yol yüzeyinde hareket ederken tekerlek kayana kadar fren yapmasına benzer. Tekerlekler kaydığında, tekerlek yüzeyi ile yol yüzeyi arasında oluşan sürtünme kuvveti kinetik sürtünme kuvvetidir. Tersine, yürürken, ayakkabının tabanı veya sandalet tabanı ile zemin yüzeyi arasında oluşan sürtünme kuvveti statik sürtünmedir. Benzer şekilde, tekerlekler kaymadığında, tekerlek yüzeyi ile yol yüzeyi arasında oluşan sürtünme kuvveti statik sürtünmedir.
2.1 Statik sürtünme kuvveti
Statik sürtünme kuvveti, henüz hareket etmemiş olan cisimlerin birbirine temas ettiği yüzeylerine etki eden sürtünme kuvvetidir.
Şekil 1, düzlem üzerinde hareketsiz duran bir cismi göstermektedir. Cisim henüz hareket etmemişse, statik sürtünme kuvveti (fs) çekme kuvvetinden (F) daha küçüktür. Eğer çekilmeye devam ederse, cisim hareket edecektir. Doğru cisim hareket ettiğinde, statik sürtünme kuvvetinin büyüklüğü (f)s) çekme kuvvetinin (F) büyüklüğüne eşittir.
Newton'un Birinci Yasası, cisimlerin toplam kuvveti (bileşke kuvvet) sıfır ise cisimlerin hareketsiz olduğunu belirtir.
ΣF y = 0 (Nesne hareketsizdir ve dikey yönde hareket etmez)
N – w = 0
N = w (1.2)
Denklem 1.1'deki N'yi denklem 1.2'deki N ile değiştirin.
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = statik sürtünme (N), μs = statik sürtünme katsayısı, N = normal kuvvet (N), w = yerçekimi (N), m = kütle (kg), g = yerçekimi ivmesi (m/ s² )
Statik sürtünme katsayısını belirlemek istiyorsanız, 1.1 b denklemini kullanın.
Σf x = 0 (Nesne hareketsizdir ve yatay yönde hareket etmez)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Cisim hareket etmeye başladığında, maksimum statik sürtünme kuvveti, itme veya çekme kuvvetinin büyüklüğüne eşittir.
2.2 Kinetik sürtünme kuvveti
Kinetik sürtünme kuvveti, bir cisim hareket halindeyken birbirine temas eden cisimlerin yüzeylerine etki eden sürtünme kuvvetidir.
Kinetik sürtünme katsayısını ( μk ) belirlemek istiyorsanız , 1.5b denklemini kullanın.
Şekil 2, bir cismin sabit bir hızda hareket etmesi için düzenli olarak çekildiğini göstermektedir. Sabit hızda hareket ederken, kinetik sürtünme kuvvetinin (fk) büyüklüğü, çekme kuvvetinin (F) büyüklüğüne eşittir.
Newton'un Birinci Yasası, toplam kuvvet (bileşke kuvvet) sıfır ise bir cismin sabit hızla hareket ettiğini belirtir.
ΣF x = 0 (nesneler yatay yönde sabit hızla hareket eder)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Örnek problem 1:
Bir öğrenci, masa yüzeyinde bulunan 1 kg kütleli bir kirişi bir dinamometre (kuvvet ölçme cihazı) kullanarak çekiyor. Kiriş hareket ettiğinde, dinamometre 2 N değerini gösteriyor. Yerçekimi ivmesi = 10 m/s² ise , (a) statik sürtünme kuvvetinin büyüklüğünü ve (b) statik sürtünme katsayısını belirleyin.
Çözüm:
Bilinenler : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Kiriş hareket ettiğinde, statik sürtünme kuvvetinin büyüklüğü, çekme kuvvetinin büyüklüğüne eşittir (denklem 1.4 ile karşılaştırın). Dolayısıyla, 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
Örnek problem 2:
Masa yüzeyinin üzerinde bulunan 1 kg kütleli bir kiriş, sabit bir hızda hareket edecek şekilde düzenli olarak çekiliyor. Kiriş sabit bir hızda hareket ettiğinde, dinamometre 1 N değerini gösteriyor. Yerçekimi ivmesi = 10 m/s² ise , (a) kinetik sürtünme kuvvetinin büyüklüğünü ve (b) kinetik sürtünme katsayısını belirleyin.
Çözüm:
Bilinenler: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Kiriş düzenli olarak veya sabit bir hızda hareket ettiğinde, kinetik sürtünme kuvvetinin büyüklüğü, çekme kuvvetinin büyüklüğüne eşittir (denklem 1.6 ile karşılaştırınız).
Yani 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
