Cada un de nos altres està familiaritzat amb la manifestació de la força de fricció. De fet, qualsevol moviment en la vida quotidiana, ja sigui caminar una persona o moure un vehicle, és impossible sense la participació d'aquesta força. En física, s'acostuma a estudiar tres tipus de forces de fricció. En aquest article, considerarem un d'ells, esbrinarem què és la fricció estàtica.
Bar sobre una superfície horitzontal
Abans de respondre a les preguntes, quina és la força de fregament estàtica i a què és igual, considerem un cas senzill amb una barra que es troba sobre una superfície horitzontal.
Analitzem quines forces actuen sobre la barra. El primer és el pes de l'article en si. Denotem-lo amb la lletra P. Està dirigit verticalment cap avall. En segon lloc, aquesta és la reacció del suport N. Està dirigit verticalment cap amunt. La segona llei de Newton per al cas en qüestió s'escriurà de la forma següent:
ma=P - N.
El signe menys aquí reflecteix les direccions oposades dels vectors de reacció de pes i suport. Com que el bloc està en repòs, el valor de a és zero. Això últim significa que:
P - N=0=>
P=N.
La reacció del suport equilibra el pes del cos i és igual a aquest en valor absolut.
Força externa que actua sobre una barra sobre una superfície horitzontal
Ara afegim una força més actuant a la situació descrita anteriorment. Suposem que una persona comença a empènyer un bloc al llarg d'una superfície horitzontal. Denotem aquesta força amb la lletra F. Es pot notar una situació sorprenent: si la força F és petita, aleshores, malgrat la seva acció, la barra continua descansant a la superfície. El pes del cos i la reacció del suport es dirigeixen perpendicularment a la superfície, de manera que les seves projeccions horitzontals són iguals a zero. En altres paraules, les forces P i N no poden oposar-se de cap manera a F. En aquest cas, per què la barra roman en repòs i no es mou?
Òbviament, hi ha d'haver una força que es dirigeixi contra la força F. Aquesta força és la fricció estàtica. Està dirigit contra F al llarg d'una superfície horitzontal. Actua a la zona de contacte entre la vora inferior de la barra i la superfície. Denotem-ho amb el símbol Ft. La llei de Newton per a la projecció horitzontal s'escriurà com:
F=Ft.
Per tant, el mòdul de la força de fregament estàtica sempre és igual al valor absolut de les forces externes que actuen al llarg de la superfície horitzontal.
Inici del moviment de la barra
Per escriure la fórmula de la fricció estàtica, continuem l'experiment iniciat als paràgrafs anteriors de l'article. Augmentarem el valor absolut de la força externa F. La barra encara romandrà en repòs durant un temps, però arribarà un moment en què comenci a moure's. En aquest punt, la força de fricció estàtica arribarà al seu valor màxim.
Per trobar aquest valor màxim, agafeu una altra barra exactament igual que la primera i poseu-la a sobre. L'àrea de contacte de la barra amb la superfície no ha canviat, però el seu pes s'ha duplicat. Es va trobar experimentalment que la força F de despreniment de la barra de la superfície també es duplicava. Aquest fet va permetre escriure la fórmula següent per a la fricció estàtica:
Ft=µsP.
És a dir, el valor màxim de la força de fregament resulta ser proporcional al pes del cos P, on el paràmetre µs actua com a coeficient de proporcionalitat. El valor µs s'anomena coeficient de fricció estàtic.
Com que el pes corporal de l'experiment és igual a la força de reacció del suport N, la fórmula per a Ft es pot reescriure de la següent manera:
Ft=µsN.
A diferència de l'anterior, aquesta expressió es pot utilitzar sempre, fins i tot quan el cos està en un pla inclinat. El mòdul de la força de fregament estàtica és directament proporcional a la força de reacció del suport amb què la superfície actua sobre el cos.
Causes físiques de la força Ft
La qüestió de per què es produeix la fricció estàtica és complexa i requereix tenir en compte el contacte entre cossos a nivell microscòpic i atòmic.
En general, hi ha dues causes físiques de forçaFt:
- Interacció mecànica entre cims i baixes.
- Interacció fisicoquímica entre àtoms i molècules dels cossos.
Per molt llisa que sigui qualsevol superfície, presenta irregularitats i deshomogeneïtats. Aproximadament, aquestes inhomogeneïtats es poden representar com a pics i creus microscòpics. Quan el pic d'un cos cau a la cavitat d'un altre cos, es produeix un acoblament mecànic entre aquests cossos. Un gran nombre d'acoblaments microscòpics és un dels motius de l'aparició de la fricció estàtica.
La segona raó és la interacció física i química entre les molècules o àtoms que formen el cos. Se sap que quan dos àtoms neutres s'apropen, es poden produir algunes interaccions electroquímiques entre ells, per exemple, interaccions dipol-dipol o van der Waals. En el moment de l'inici del moviment, la barra es veu obligada a superar aquestes interaccions per tal de separar-se de la superfície.
Característiques de la força de Ft
Ja s'ha indicat més amunt a quina és la màxima força de fregament estàtica, i també s'indica la seva direcció d'acció. Aquí enumerem altres característiques de la quantitat Ft.
La fricció en repòs no depèn de la zona de contacte. Es determina únicament per la reacció del suport. Com més gran sigui l'àrea de contacte, més petita serà la deformació dels pics i creus microscòpics, però major serà el seu nombre. Aquest fet intuïtiu explica per què el màxim Ftt no canviarà si la barra es gira cap a la vora amb el més petit.àrea.
La fricció en repòs i la fricció lliscant són de la mateixa naturalesa, descrites per les mateixes fórmules, però la segona sempre és menor que la primera. La fricció de lliscament es produeix quan el bloc comença a moure's per la superfície.
Força Ft és una quantitat desconeguda en la majoria dels casos. La fórmula que es dóna més amunt correspon al valor màxim de Ft en el moment en què la barra comença a moure's. Per entendre aquest fet amb més claredat, a continuació es mostra un gràfic de la dependència de la força Ft de la influència externa F.
Es pot veure que amb l'augment de F, la fricció estàtica augmenta linealment, arriba a un màxim i després disminueix quan el cos comença a moure's. Durant el moviment, ja no es pot parlar de la força Ft, ja que se substitueix per la fricció de lliscament.
Finalment, l'última característica important de la força de Ft és que no depèn de la velocitat de moviment (a velocitats relativament altes, Ftdisminueix).
Coeficient de fricció µs
Com que µs apareix a la fórmula del mòdul de fricció, cal dir-ne algunes paraules.
El coeficient de fricció µs és una característica única de les dues superfícies. No depèn del pes corporal, es determina experimentalment. Per exemple, per a una parella arbre-arbre, varia de 0,25 a 0,5 segons el tipus d'arbre i la qualitat del tractament superficial dels cossos de fregament. Per a superfícies de fusta enceradaneu humida µs=0,14, i per a les articulacions humanes aquest coeficient pren valors molt baixos (≈0,01).
Sigui quin sigui el valor de µs per al parell de materials considerats, sempre serà un coeficient similar de fricció de lliscament µk més petit. Per exemple, quan es fa lliscar un arbre sobre un arbre, és igual a 0,2, i per a les articulacions humanes no supera 0,003.
A continuació, ens plantejarem la solució de dos problemes físics en els quals podem aplicar els coneixements adquirits.
Bar sobre una superfície inclinada: càlcul de força Ft
La primera tasca és bastant senzilla. Suposem que un bloc de fusta es troba sobre una superfície de fusta. La seva massa és d'1,5 kg. La superfície està inclinada en un angle de 15o amb l'horitzó. Cal determinar la força de fricció estàtica si se sap que la barra no es mou.
El problema d'aquest problema és que moltes persones comencen calculant la reacció del suport i després utilitzant les dades de referència per al coeficient de fricció µs, utilitzeu l'anterior fórmula per determinar el valor màxim de F t. Tanmateix, en aquest cas, Ft no és el màxim. El seu mòdul és igual només a la força externa, que tendeix a moure la barra del seu lloc cap avall pel pla. Aquesta força és:
F=mgsin(α).
Llavors, la força de fregament Ft serà igual a F. Substituint les dades per igu altat, obtenim la resposta: la força de fregament estàtica en un pla inclinat F t=3,81 newtons.
Barra en superfície inclinada: càlculangle d'inclinació màxim
Ara resolem el següent problema: un bloc de fusta està en un pla inclinat de fusta. Suposant el coeficient de fricció igual a 0,4, cal trobar l'angle màxim d'inclinació α del pla respecte a l'horitzó, en el qual la barra començarà a lliscar.
El lliscament començarà quan la projecció del pes corporal al pla sigui igual a la força de fregament estàtica màxima. Escrivim la condició corresponent:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Substituint el valor µs=0, 4 a l'última equació, obtenim α=21, 8o.
