La fricció és un fenomen físic amb el qual una persona lluita per reduir-lo en qualsevol part giratòria i lliscant dels mecanismes, sense la qual, però, el moviment de qualsevol d'aquests mecanismes és impossible. En aquest article, considerarem, des del punt de vista de la física, quina és la força de fricció de rodament.
Quin tipus de forces de fricció existeixen a la natura?
En primer lloc, tingueu en compte el lloc que ocupa la fricció de rodament entre altres forces de fricció. Aquestes forces sorgeixen com a resultat del contacte de dos cossos diferents. Poden ser cossos sòlids, líquids o gasosos. Per exemple, el vol d'un avió a la troposfera va acompanyat de la presència de fricció entre el seu cos i les molècules d'aire.
Tenint en compte exclusivament els cossos sòlids, destaquem les forces de fricció de repòs, lliscament i rodament. Cadascú de nos altres ens vam adonar: per moure una caixa al terra, cal aplicar una mica de força al llarg de la superfície del terra. El valor de la força que farà sortir les caixes del repòs serà igual en valor absolut a la força de fregament en repòs. Aquest últim actua entre la part inferior de la caixa i la superfície del terra.
Comun cop la caixa ha començat el seu moviment, cal aplicar una força constant per mantenir aquest moviment uniforme. Aquest fet està relacionat amb el fet que entre el contacte del terra i la caixa, la força de fricció de lliscament actua sobre aquesta última. Per regla general, és diverses desenes de per cent menys que la fricció estàtica.
Si poseu cilindres rodons de material dur sota la caixa, serà molt més fàcil moure-la. La força de fricció de rodament actuarà sobre els cilindres que giren en el procés de moviment sota la caixa. Normalment és molt més petit que les dues forces anteriors. És per això que la invenció de la roda per part de la humanitat va suposar un gran s alt cap al progrés, perquè la gent era capaç de moure càrregues molt més grans amb poca força aplicada.
Característica física de la fricció rodant
Per què es produeix la fricció de rodament? Aquesta pregunta no és fàcil. Per respondre-hi, s'ha de tenir en compte amb detall què passa amb la roda i la superfície durant el procés de laminació. En primer lloc, no són perfectament llisos, ni la superfície de la roda ni la superfície sobre la qual roda. Tanmateix, aquesta no és la principal causa de fricció. El motiu principal és la deformació d'un o tots dos cossos.
Qualsevol cossos, independentment del material sòlid del qual estiguin fets, es deforma. Com més gran és el pes del cos, més gran és la pressió que exerceix sobre la superfície, és a dir, es deforma en el punt de contacte i deforma la superfície. Aquesta deformació en alguns casos és tan petita que no supera el límit elàstic.
Bdurant el rodament de la roda, les zones deformades després de la finalització del contacte amb la superfície recuperen la seva forma original. No obstant això, aquestes deformacions es repeteixen cíclicament amb una nova revolució de la roda. Qualsevol deformació cíclica, encara que estigui en el límit elàstic, va acompanyada d'histèresi. En altres paraules, a nivell microscòpic, la forma del cos abans i després de la deformació és diferent. La histèresi dels cicles de deformació durant el rodament de la roda condueix a la "dispersió" de l'energia, que es manifesta a la pràctica en forma de l'aparició d'una força de fricció de rodament.
Rodoll corporal perfecte
Sota el cos ideal en aquest cas volem dir que és indeformable. En el cas d'una roda ideal, la seva àrea de contacte amb la superfície és zero (toca la superfície al llarg de la línia).
Caracteritzem les forces que actuen sobre una roda indeformable. En primer lloc, es tracta de dues forces verticals: el pes corporal P i la força de reacció del suport N. Ambdues forces passen pel centre de masses (eix de la roda), per tant, no participen en la creació del parell. Per a ells, podeu escriure:
P=N
En segon lloc, es tracta de dues forces horitzontals: una força externa F que empeny la roda cap endavant (passa pel centre de massa) i una força de fricció rodant fr. Aquest últim crea un parell M. Per a ells, podeu escriure les igu altats següents:
M=frr;
F=fr
Aquí r és el radi de la roda. Aquestes igu altats contenen una conclusió molt important. Si la força de fregament fr és infinitament petita, llavorsencara crearà un parell que farà que la roda es mogui. Com que la força externa F és igual a fr, aleshores qualsevol valor infinitament petit de F farà rodar la roda. Això vol dir que si el cos de rodament és ideal i no experimenta deformació durant el moviment, no cal parlar de cap força de fricció de rodament.
Tots els cossos existents són reals, és a dir, experimenten deformacions.
Roda del cos real
Ara considereu la situació descrita anteriorment només per al cas dels cossos reals (deformables). L'àrea de contacte entre la roda i la superfície deixarà de ser zero, tindrà algun valor finit.
Analitzem les forces. Comencem per l'acció de les forces verticals, és a dir, el pes i la reacció del suport. Encara són iguals entre ells, és a dir:
N=P
No obstant això, la força N ara actua verticalment cap amunt no a través de l'eix de la roda, sinó que se'n desplaça lleugerament una distància d. Si imaginem l'àrea de contacte de la roda amb la superfície com l'àrea d'un rectangle, aleshores la longitud d'aquest rectangle serà el gruix de la roda i l'amplada serà igual a 2d.
Ara passem a la consideració de les forces horitzontals. La força externa F encara no crea un parell i és igual a la força de fregament fr en valor absolut, és a dir:
F=fr.
El moment de les forces que condueixen a la rotació crearà fricció fr i la reacció del suport N. A més, aquests moments es dirigiran en diferents direccions. L'expressió corresponent éstipus:
M=Nd - frr
En el cas del moviment uniforme, el moment M serà igual a zero, de manera que obtenim:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
La darrera igu altat, tenint en compte les fórmules escrites més amunt, es pot reescriure de la següent manera:
F=d/rP
De fet, tenim la fórmula principal per entendre la força de fricció de rodament. Més endavant en l'article l'analitzarem.
Coeficient de resistència al rodament
Aquest coeficient ja s'ha introduït més amunt. També es va donar una explicació geomètrica. Estem parlant del valor de d. Òbviament, com més gran és aquest valor, més gran és el moment crea la força de reacció del suport, que impedeix el moviment de la roda.
El coeficient de resistència al rodament d, en contrast amb els coeficients de fricció estàtica i de lliscament, és un valor dimensional. Es mesura en unitats de longitud. A les taules, se sol donar en mil·límetres. Per exemple, per a rodes de tren que roden sobre rails d'acer, d=0,5 mm. El valor de d depèn de la duresa dels dos materials, de la càrrega sobre la roda, de la temperatura i d' altres factors.
Coeficient de fricció de rodament
No ho confongueu amb el coeficient anterior d. El coeficient de fricció de rodament s'indica amb el símbol Cr i es calcula amb la fórmula següent:
Cr=d/r
Aquesta igu altat significa que Cr no té dimensions. És ella qui es dóna en una sèrie de taules que contenen informació sobre el tipus de fricció considerat. Aquest coeficient és convenient utilitzar per a càlculs pràctics,perquè no implica conèixer el radi de la roda.
El valor de Cr en la majoria dels casos és inferior als coeficients de fricció i repòs. Per exemple, per als pneumàtics d'automòbils que es mouen per asf alt, el valor de Cr es troba en unes quantes centèsimes (0,01 - 0,06). No obstant això, augmenta significativament quan s'executen pneumàtics punxats sobre gespa i sorra (≈0,4).
Anàlisi de la fórmula resultant per a la força fr
Escrivim de nou la fórmula anterior per a la força de fricció de rodament:
F=d/rP=fr
De la igu altat es dedueix que com més gran sigui el diàmetre de la roda, menys força s'hauria d'aplicar F perquè comenci a moure's. Ara escrivim aquesta igu altat mitjançant el coeficient Cr, tenim:
fr=CrP
Com podeu veure, la força de fricció és directament proporcional al pes del cos. A més, amb un augment significatiu del pes P, el propi coeficient Cr canvia (augmenta per l'augment de d). En la majoria dels casos pràctics, Cr es troba a unes quantes centèsimes. Al seu torn, el valor del coeficient de fricció de lliscament es troba en unes dècimes. Com que les fórmules per a les forces de fricció de rodament i de lliscament són les mateixes, el rodament resulta ser beneficiós des del punt de vista energètic (la força fr és un ordre de magnitud inferior a la força de lliscament en situacions més pràctiques).
Condició de rodament
Molts de nos altres hem patit el problema del lliscament de les rodes dels cotxes quan conduïm sobre gel o fang. Per què és aixòpassant? La clau per respondre a aquesta pregunta rau en la relació entre els valors absoluts de les forces de fricció de rodament i de repòs. Escriurem de nou la fórmula continuada:
F ≧ CrP
Quan la força F és superior o igual a la fricció de rodament, aleshores la roda començarà a rodar. Tanmateix, si aquesta força supera el valor de la fricció estàtica abans, aleshores la roda relliscarà abans que no faci rodar.
Així, l'efecte de lliscament ve determinat per la relació entre els coeficients de fricció estàtica i la fricció de rodament.
Maneres de contrarestar el lliscament de les rodes del cotxe
La fricció de rodament de la roda d'un cotxe sobre una superfície relliscosa (per exemple, sobre gel) es caracteritza pel coeficient Cr=0,01-0,06. No obstant això, els valors de el mateix ordre és típic per al coeficient de fricció estàtica.
Per evitar el risc de lliscament de les rodes, s'utilitzen pneumàtics especials "d'hivern", als quals s'enrosquen puntes metàl·liques. Aquest últim, xocant contra la superfície del gel, augmenta el coeficient de fricció estàtica.
Una altra manera d'augmentar la fricció estàtica és modificar la superfície sobre la qual es mou la roda. Per exemple, ruixant-lo amb sorra o sal.
