En una secció especial de la física - la dinàmica, quan estudien el moviment dels cossos, consideren les forces que actuen sobre el sistema en moviment. Aquest últim pot realitzar tant treballs positius com negatius. Considereu en aquest article quin és el treball de la força de fregament i com es calcula.
El concepte de treball en física
En física, el concepte de "treball" és diferent de la idea ordinària d'aquesta paraula. El treball s'entén com una magnitud física, que és igual al producte escalar del vector força i el vector desplaçament del cos. Suposem que hi ha algun objecte sobre el qual actua la força F¯. Com que no hi actuen cap altra força, el seu vector de desplaçament l¯ coincidirà en direcció amb el vector F¯. El producte escalar d'aquests vectors en aquest cas correspondrà al producte dels seus mòduls, és a dir:
A=(F¯l¯)=Fl.
El valor A és el treball que fa la força F¯ per moure l'objecte una distància l. Tenint en compte les dimensions dels valors F i l, trobem que el treball es mesura en newtons per metre (Nm) en el sistema SI. Tanmateix, la unitatNm té el seu propi nom: és un joule. Això vol dir que el concepte de treball és el mateix que el concepte d'energia. En altres paraules, si una força d'1 newton mou un cos 1 metre, els costos d'energia corresponents són d'1 joule.
Quina és la força de fricció?
Estudiar la qüestió del treball de la força de fregament és possible si saps de quin tipus de força estem parlant. La fricció en física és un procés que impedeix qualsevol moviment d'un cos a la superfície d'un altre quan aquestes superfícies es posen en contacte.
Si considerem només els cossos sòlids, hi ha tres tipus de fricció per a ells:
- descans;
- slip;
- rolling.
Aquestes forces actuen entre superfícies en contacte i sempre es dirigeixen contra el moviment dels cossos.
La fricció en repòs impedeix el moviment en si, la fricció per lliscament es manifesta en el procés de moviment, quan les superfícies dels cossos llisquen entre si, i hi ha fricció de rodament entre el cos que roda a la superfície i la mateixa superfície.
Un exemple de l'acció de la fricció estàtica és un cotxe que està al fre de mà en un vessant. La fricció de lliscament es manifesta quan un esquiador es mou sobre la neu o un patinador es mou sobre el gel. Finalment, la fricció de rodament actua mentre la roda del cotxe es mou per la carretera.
Les forces per als tres tipus de fricció es calculen mitjançant la fórmula següent:
Ft=µtN.
Aquí N és la força de reacció del suport, µt és el coeficient de fricció. Força Nmostra la magnitud de l'impacte del suport sobre el cos perpendicular al pla de la superfície. Pel que fa al paràmetre µt, es mesura experimentalment per a cada parell de materials de fregament, per exemple, fusta-fusta, acer-neu, etc. Els resultats mesurats es recullen en taules especials.
Per a cada força de fricció, el coeficient µt té el seu propi valor per al parell de materials seleccionat. Així, el coeficient de fricció estàtica és més gran que el de la fricció lliscant en diverses desenes de per cent. Al seu torn, el coeficient de rodament és 1-2 ordres de magnitud inferior al del lliscament.
Treball de les forces de fricció
Ara, un cop familiaritzat amb els conceptes de treball i amb els tipus de fricció, podeu anar directament al tema de l'article. Considerem en ordre tots els tipus de forces de fricció i esbrineu quin treball fan.
Comencem amb la fricció estàtica. Aquest tipus es manifesta quan el cos no es mou. Com que no hi ha moviment, el seu vector de desplaçament l¯ és igual a zero. Això últim significa que el treball de la força de fricció estàtica també és igual a zero.
La fricció lliscant, per definició, només actua quan el cos es mou a l'espai. Com que la força d'aquest tipus de fricció sempre es dirigeix contra el moviment del cos, vol dir que fa un treball negatiu. El valor de A es pot calcular mitjançant la fórmula:
A=-Ftl=-µtNl.
El treball de la força de fricció de lliscament té com a objectiu frenar el moviment del cos. Com a resultat d'aquest treball, l'energia mecànica del cos es converteix en calor.
La fricció de rodament, com el lliscament, també implica el moviment del cos. La força de fricció de rodament fa un treball negatiu, alentint la rotació inicial del cos. Com que estem parlant de la rotació del cos, és convenient calcular el valor del treball d'aquesta força mitjançant el treball del seu impuls. La fórmula corresponent s'escriu com:
A=-Mθ on M=FtR.
Aquí θ és l'angle de gir del cos com a resultat de la rotació, R és la distància des de la superfície fins a l'eix de rotació (radi de la roda).
Problema amb la força de fricció de lliscament
Se sap que un bloc de fusta es troba a la vora d'un pla de fusta inclinat. El pla està inclinat respecte a l'horitzó amb un angle de 40o. Sabent que el coeficient de fricció de lliscament és de 0,4, la longitud del pla és d'1 metre i la massa de la barra correspon a 0,5 kg, cal trobar el treball de la fricció de lliscament.
Calculeu la força de fricció de lliscament. És igual a:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Llavors l'obra corresponent A serà:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Problema de fricció rodant
Se sap que la roda va rodar per la carretera durant una certa distància i es va aturar. El diàmetre de la roda és de 45 cm El nombre de revolucions de la roda abans d'aturar-se és de 100. Tenint en compte el coeficient de rodament igual a 0,03, cal trobar a quin és el treball de la força de fricció de rodament. La massa de la roda és de 5 kg.
Primer, calculem el moment de fricció rodant:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Si el nombre de revolucions que fa la roda es multiplica per 2pi radians, obtenim l'angle de gir de la roda θ. Aleshores la fórmula per treballar és:
A=-Mθ=-M2pin.
On n és el nombre de revolucions. Substituint el moment M i el nombre n de la condició, obtenim el treball requerit: A=- 207,87 J.
