L'estat actual de la tecnologia semblaria completament diferent si la humanitat en un passat llunyà no hagués après a utilitzar la força de la fricció rodant en benefici propi. Què és, per què apareix i com es pot calcular, aquests problemes es discuteixen a l'article.
Què és la fricció de rodament?
Sota s'entén la força física que apareix en tots els casos quan un objecte no llisca, sinó que roda sobre la superfície d'un altre. Exemples de força de fricció de rodament són conduir una roda de carro de fusta per un camí de terra o conduir una roda de cotxe per asf alt, rodar coixinets de boles i agulles de metall en un eix d'acer, moure un corró de pintura a una paret, etc..
A diferència de les forces de fricció estàtica i de lliscament, que són causades per les interaccions a nivell atòmic de les superfícies rugoses del cos i la superfície, la causa de la fricció de rodament és la histèresi de deformació.
Expliquem el fet esmentat a l'exemple d'una roda. Quan entra en contacte ambabsolutament qualsevol superfície sòlida, llavors a la zona de contacte hi ha la seva microdeformació a la regió elàstica. Tan bon punt la roda gira per un cert angle, aquesta deformació elàstica desapareixerà i el cos recuperarà la seva forma. No obstant això, com a conseqüència del rodament de la roda, es repeteixen els cicles de compressió i recuperació de la forma, que van acompanyats de pèrdua d'energia i pertorbacions microscòpiques en l'estructura de les capes superficials de la roda. Aquesta pèrdua s'anomena histèresi. Quan es mouen, es manifesten en l'aparició d'una força de fricció rodant.
Rodament de cossos indeformables
Considerem el cas ideal quan la roda, en moviment sobre una superfície absolutament sòlida, no experimenta microdeformacions. En aquest cas, la zona del seu contacte amb la superfície correspondrà a un segment recte, l'àrea del qual és igual a zero.
Quan es mou, quatre forces actuen sobre la roda. Aquests són la força de tracció F, la força de reacció del suport N, el pes de la roda P i la fricció fr. Les tres primeres forces són de naturalesa central (actuen sobre el centre de massa de la roda), de manera que no creen parell. La força fr actua tangencialment a la vora de la roda. El moment de fricció rodant és:
M=frr.
Aquí, el radi de la roda s'indica amb la lletra r.
Les forces N i P actuen verticalment, per tant, en el cas del moviment uniforme, la força de fregament fr serà igual a la força d'empenta F:
F=fr.
Qualsevol força infinitament petita F podrà superar fr i la roda començarà a moure's. Aixòla conclusió porta al fet que en el cas d'una roda no deformable, la força de fricció de rodament és zero.
Rodament de cossos (reals) deformables
En el cas dels cossos reals, com a conseqüència de la deformació de la roda, la seva àrea de suport a la superfície no és igual a zero. Com a primera aproximació, és un rectangle, amb els costats l i 2d. On l és l'amplada de la roda, que no ens interessa gaire. L'aparició de la força de fricció de rodament es deu precisament al valor 2d.
Com en el cas d'una roda indeformable, les quatre forces esmentades anteriorment també actuen sobre un objecte real. Es conserven totes les relacions entre elles excepte una: la força de reacció del suport com a conseqüència de la deformació no actuarà a través de l'eix de la roda, sinó que es desplaçarà respecte a aquest una distància d, és a dir, intervindrà. en la creació del parell. La fórmula del moment M en el cas d'una roda real pren la forma:
M=Nd - frr.
La igu altat a zero del valor M és la condició per al rodament uniforme de la roda. Com a resultat, arribem a la igu altat:
fr=d/rN.
Com que N és igual al pes del cos, obtenim la fórmula final per a la força de fricció de rodament:
fr=d/rP.
Aquesta expressió conté un resultat útil: a mesura que augmenta el radi r de la roda, la força de fregament fr.
Coeficient de resistència a la rodadura i coeficient de rodament
A diferència de les forces de fregament de repòs i lliscament, el rodatge es caracteritza per dues dependències mútuamentcoeficients. El primer d'ells és el valor de d descrit anteriorment. S'anomena coeficient de resistència al rodament perquè com més gran és el seu valor, més gran és la força fr. Per a les rodes de tren, els automòbils i els coixinets metàl·lics, el valor de d es troba en dècimes de mil·límetre.
El segon coeficient és el propi coeficient de balanceig. És una quantitat adimensional i és igual a:
Cr=d/r.
A moltes taules, aquest valor es dóna, ja que és més convenient utilitzar-lo per resoldre problemes pràctics que el valor de d. En la majoria dels casos pràctics, el valor de Cr no supera unes quantes centèsimes (0,01-0,06).
Condició de rodament per a cossos reals
A d alt tenim la fórmula per a la força fr. Escrivim-ho a través del coeficient Cr:
fr=CrP.
Es pot veure que la seva forma és similar a la de la força de fricció estàtica, en la qual en comptes de Cr, s'utilitza el valor µ - el coeficient de fricció estàtica.
La força d'esborrany F farà que la roda rodi només si és superior a fr. Tanmateix, l'empenta F també pot provocar lliscament si supera la força de repòs corresponent. Per tant, la condició per al rodament dels cossos reals és que la força fr sigui menor que la força de fricció estàtica.
En la majoria dels casos, els valors del coeficient µ són 1-2 ordres de magnitud superiors al valor de Cr. Tanmateix, en algunes situacions (presència de neu, gel,líquids grassos, brutícia) µ pot ser més petit que Cr. En aquest últim cas, s'observarà el lliscament de les rodes.
