Tot alumne sap que quan hi ha contacte entre dues superfícies sòlides sorgeix l'anomenada força de fregament. Considerem en aquest article què és, centrant-nos en el punt d'aplicació de la força de fregament.
Quin tipus de força de fricció hi ha?
Abans de considerar el punt d'aplicació de la força de fricció, cal recordar breument quins tipus de fricció existeixen a la natura i la tecnologia.
Comencem a considerar la fricció estàtica. Aquest tipus caracteritza l'estat d'un cos sòlid en repòs en alguna superfície. El fregament del repòs evita qualsevol desplaçament del cos del seu estat de repòs. Per exemple, a causa de l'acció d'aquesta mateixa força, ens costa moure un armari a terra.
La fricció lliscant és un altre tipus de fricció. Es manifesta en el cas de contacte entre dues superfícies lliscant una sobre l' altra. La fricció de lliscament s'oposa al moviment (la direcció de la força de fregament és oposada a la velocitat del cos). Un exemple sorprenent de la seva acció és un esquiador o patinador que llisca sobre gel sobre neu.
Finalment, el tercer tipus de fricció és rodant. Sempre existeix quan un cos roda sobre la superfície d'un altre. Per exemple, el rodament d'una roda o dels coixinets són exemples excel·lents on la fricció de rodament és important.
Els dos primers tipus descrits sorgeixen a causa de la rugositat de les superfícies de fregament. El tercer tipus sorgeix a causa de la histèresi de deformació del cos rodant.
Punts d'aplicació de les forces de fricció de lliscament i repòs
A d alt es va dir que la fricció estàtica impedeix la força d'acció externa, que tendeix a moure l'objecte al llarg de la superfície de contacte. Això vol dir que la direcció de la força de fregament és oposada a la direcció de la força externa paral·lela a la superfície. El punt d'aplicació de la força de fricció considerada es troba a la zona de contacte entre dues superfícies.
És important entendre que la força de fricció estàtica no és un valor constant. Té un valor màxim, que es calcula amb la fórmula següent:
Ft=µtN.
No obstant això, aquest valor màxim apareix només quan el cos comença el seu moviment. En qualsevol altre cas, la força de fricció estàtica és exactament igual en valor absolut a la superfície paral·lela de la força externa.
Pel que fa al punt d'aplicació de la força de fricció de lliscament, no difereix del de la fricció estàtica. Parlant de la diferència entre la fricció estàtica i lliscant, cal destacar la importància absoluta d'aquestes forces. Per tant, la força de fricció de lliscament per a un parell de materials donat és un valor constant. A més, sempre és inferior a la força màxima de fricció estàtica.
Com podeu veure, el punt d'aplicació de les forces de fregament no coincideix amb el centre de gravetat del cos. Això vol dir que les forces considerades creen un moment que tendeix a bolcar el cos lliscant cap endavant. Això últim es pot observar quan el ciclista frena amb força amb la roda davantera.
Fregament rodant i el seu punt d'aplicació
Com que la causa física de la fricció de rodament és diferent de la dels tipus de fricció comentats anteriorment, el punt d'aplicació de la força de fricció de rodament té un caràcter lleugerament diferent.
Suposem que la roda del cotxe està a la vorera. És obvi que aquesta roda està deformada. L'àrea del seu contacte amb l'asf alt és igual a 2dl, on l és l'amplada de la roda, 2d és la longitud del contacte lateral de la roda i l'asf alt. La força de fricció de rodament, en la seva essència física, es manifesta en forma de moment de reacció del suport dirigit contra la rotació de la roda. Aquest moment es calcula de la següent manera:
M=Nd
Si el dividim i el multipliquem pel radi de la roda R, obtenim:
M=Nd/RR=FtR on Ft=Nd/R
Així, la força de fricció de rodament Ft és en realitat la reacció del suport, creant un moment de força que tendeix a frenar la rotació de la roda.
El punt d'aplicació d'aquesta força es dirigeix verticalment cap amunt en relació a la superfície del pla i es desplaça cap a la dreta des del centre de masses per d (suposant que la roda es mou d'esquerra a dreta).
Exemple de resolució de problemes
AccióLa força de fricció de qualsevol tipus tendeix a frenar el moviment mecànic dels cossos, alhora que converteix la seva energia cinètica en calor. Anem a resoldre el següent problema:
bar llisca sobre una superfície inclinada. Cal calcular l'acceleració del seu moviment si se sap que el coeficient de lliscament és de 0,35 i l'angle d'inclinació de la superfície és de 35o.
Considerem quines forces actuen sobre la barra. En primer lloc, el component de gravetat es dirigeix cap avall al llarg de la superfície de lliscament. És igual a:
F=mgsin(α)
En segon lloc, una força de fregament constant actua cap amunt al llarg del pla, que es dirigeix contra el vector acceleració del cos. Es pot determinar amb la fórmula:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Llavors la llei de Newton per a una barra que es mou amb acceleració a tindrà la forma:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Substituint les dades per igu altat, obtenim que a=2,81 m/s2. Tingueu en compte que l'acceleració trobada no depèn de la massa de la barra.
