La força de fricció és una magnitud física que impedeix qualsevol moviment del cos. Es produeix, per regla general, quan els cossos es mouen en matèria sòlida, líquida i gasosa. Diversos tipus de forces de fricció tenen un paper important en la vida humana, ja que eviten un augment excessiu de la velocitat dels cossos.
Classificació de les forces de fricció
En el cas general, tots els tipus de forces de fricció es descriuen per tres tipus: la força de fricció de lliscament, rodament i repòs. El primer és estàtic, els altres dos dinàmics. El fregament en repòs impedeix que el cos comenci a moure's, al seu torn, en lliscar, existeix fricció quan el cos frega la superfície d'un altre cos durant el seu moviment. La fricció de rodament es produeix quan un objecte rodó es mou. Prenguem un exemple. Un exemple sorprenent d'aquest tipus (força de fricció de rodament) és el moviment de les rodes del cotxe sobre l'asf alt.
La naturalesa de les forces de fricció és l'existència d'imperfeccions microscòpiques entre les superfícies de fregament de dos cossos. Per aquest motiu, la força resultant actua sobreun objecte que es mou o comença a moure, consisteix en la suma de la força de la reacció normal del suport N, que es dirigeix perpendicularment a la superfície dels cossos en contacte, i de la força de fregament F. Aquesta última es dirigeix paral·lelament al superfície de contacte i és oposada al moviment del cos.
Fregament entre dos sòlids
Quan es va considerar la qüestió dels diferents tipus de forces de fricció, es van observar els patrons següents per a dos cossos sòlids:
- La força de fregament es dirigeix paral·lela a la superfície de suport.
- El coeficient de fricció depèn de la naturalesa de les superfícies de contacte, així com del seu estat.
- La força de fricció màxima està en proporció directa a la força normal o la reacció de suport que actua entre les superfícies de contacte.
- Per als mateixos cossos, la força de fregament és més gran abans que el cos comenci a moure's i després disminueix quan el cos comença a moure's.
- El coeficient de fricció no depèn de l'àrea de contacte, i pràcticament no depèn de la velocitat de lliscament.
Lleis
Resumant el material experimental sobre les lleis del moviment, hem establert les lleis bàsiques següents pel que fa a la fricció:
- La resistència al lliscament entre dos cossos és proporcional a la força normal que actua entre ells.
- La resistència al moviment entre els cossos de fregament no depèn de l'àrea de contacte entre ells.
Per demostrar la segona llei, podem donar l'exemple següent: si agafes un bloc i el mous lliscant per la superfície, llavors la força necessària per a aquest movimentserà el mateix quan el bloc estigui a la superfície amb el seu costat llarg i quan estigui dempeus amb el seu extrem.
Les lleis referents a diversos tipus de forces de fricció en física van ser descobertes a finals del segle XV per Leonard da Vinci. Després van ser oblidats durant molt de temps, i només el 1699 van ser redescoberts per l'enginyer francès Amonton. Des de llavors, les lleis de la fricció porten el seu nom.
Per què la força de fregament és més gran que la de lliscament en repòs?
Quan es consideren diversos tipus de forces de fregament (repòs i lliscament), cal tenir en compte que la força de fregament estàtica és sempre inferior o igual al producte del coeficient de fregament estàtic i la força de reacció del suport. El coeficient de fricció es determina experimentalment per a aquests materials de fregament i s'introdueix a les taules adequades.
La força dinàmica es calcula de la mateixa manera que la força estàtica. Només en aquest cas, el coeficient de fricció s'utilitza específicament per al lliscament. El coeficient de fricció s'acostuma a indicar amb la lletra grega Μ (mu). Així, la fórmula general de les dues forces de fregament és: Ftr=ΜN, on N és la força de reacció del suport.
La naturalesa de la diferència entre aquests tipus de forces de fricció no s'ha establert amb precisió. Tanmateix, la majoria dels científics creuen que la força de fricció estàtica és més gran que la de lliscament, perquè quan els cossos estan en repòs entre si durant un temps, es poden formar enllaços iònics o microfusions de punts individuals de les superfícies entre les seves superfícies. Aquests factors provoquen un augment de l'estàticaindicador.
Un exemple de diversos tipus de força de fricció i la seva manifestació és el pistó del cilindre d'un motor d'automòbil, que està "soldat" al cilindre si el motor no funciona durant molt de temps.
Cos lliscant horitzontal
Aconseguim l'equació de moviment d'un cos que, sota l'acció d'una força externa Fin, comença a moure's per la superfície lliscant. En aquest cas, les forces següents actuen sobre el cos:
- Fv: força externa;
- Ftr: força de fregament que és oposada a la força Fv;
- N és la força de reacció del suport, que és igual en valor absolut al pes del cos P i es dirigeix cap a la superfície, és a dir, en angle recte amb aquesta.
Tenint en compte les direccions de totes les forces, escrivim la segona llei de Newton per a aquest cas de moviment: Fv - Ftr=ma, on m - massa corporal, a - acceleració del moviment. Sabent que Ftr=ΜN, N=P=mg, on g és l'acceleració de caiguda lliure, obtenim: Fv – Μmg=ma. Per tant, expressant l'acceleració amb què es mou el cos lliscant, obtenim: a=F en / m – Μg.
Moviment d'un cos rígid en un líquid
En considerar quins tipus de forces de fricció existeixen, cal esmentar un fenomen important en física, que és la descripció de com es mou un cos sòlid en un líquid. En aquest cas, estem parlant de la fricció aerodinàmica, que es determina en funció de la velocitat del cos en el fluid. Hi ha dos tipus de moviment:
- Quanun cos rígid es mou a poca velocitat, es parla de moviment laminar. La força de fregament en el moviment laminar és proporcional a la velocitat. Un exemple és la llei de Stokes per als cossos esfèrics.
- Quan el moviment d'un cos en un fluid es produeix a una velocitat superior a un determinat valor llindar, llavors comencen a aparèixer vòrtexs dels fluxos de fluids al voltant del cos. Aquests vòrtex creen una força addicional que impedeix el moviment i, com a resultat, la força de fricció és proporcional al quadrat de la velocitat.
Natura de la força de fricció de rodament
Quan es parla dels tipus de forces de fricció, s'acostuma a anomenar la força de fricció de rodament el tercer tipus. Es manifesta quan un cos roda sobre una determinada superfície i es produeix la deformació d'aquest cos i de la pròpia superfície. És a dir, en el cas d'un cos i una superfície absolutament indeformables, no serveix de res parlar de la força de fricció de rodament. Fem una ullada més de prop.
El concepte de coeficient de fricció de rodament és similar al de lliscament. Com que no hi ha lliscament entre les superfícies dels cossos durant el rodament, el coeficient de fricció de rodament és molt menor que el de lliscament.
El principal factor que afecta el coeficient és la histèresi de l'energia mecànica pel tipus de força de fricció de rodament. En particular, la roda, depenent del material del qual està feta, així com de la càrrega que transporta, es deforma elàsticament durant el moviment. Els cicles repetitius de deformació elàstica condueixen a la transferència d'una part de l'energia mecànica a l'energia tèrmica. A més, a causa dedany, el contacte de la roda i la superfície ja té una àrea de contacte finita.
fórmula de la força de fricció rodant
Si apliquem l'expressió del moment de força que fa girar la roda, podem obtenir que la força de fricció de rodament és Ftr.k.=Μ k N / R, aquí N és la reacció del suport, R és el radi de la roda, Μк – coeficient de fricció de rodament. Així, la força de fricció de rodament és inversament proporcional al radi, la qual cosa explica l'avantatge de les rodes grans sobre les petites.
La proporcionalitat inversa d'aquesta força al radi de la roda suggereix que en el cas de dues rodes de radi diferent que tenen la mateixa massa i estan fetes del mateix material, la roda amb el radi més gran és més fàcil de pressupost.
Ràtio de rotació
D'acord amb la fórmula d'aquest tipus de força de fregament, obtenim que el coeficient de fregament de rodatge Μk té la dimensió de la longitud. Depèn principalment de la naturalesa dels cossos en contacte. El valor, que ve determinat per la relació entre el coeficient de fricció de rodament i el radi, s'anomena coeficient de rodament, és a dir, Ck=Μk / R és una quantitat adimensional.
El coeficient de rodament Ck és significativament menor que el coeficient de fricció de lliscament Μtr. Per tant, quan responem a la pregunta de quin tipus de força de fricció és la més petita, podem anomenar amb seguretat la força de fricció de rodament. Gràcies a aquest fet, la invenció de la roda es considera un pas important en el progrés tecnològic.humanitat.
La proporció de balanceig és específica del sistema i depèn dels factors següents:
- duresa de la roda i la superfície (com més petita sigui la deformació dels cossos que es produeix durant el moviment, més baix serà el coeficient de rodament);
- radi de la roda;
- pes que actua sobre la roda;
- superfície de contacte i la seva forma;
- viscositat a la zona de contacte entre la roda i la superfície;
- temperatura corporal
