Sila trenja je fizička veličina koja sprječava bilo kakvo kretanje tijela. Nastaje, u pravilu, kada se tijela kreću u čvrstoj, tekućoj i plinovitoj tvari. Različite vrste sila trenja igraju važnu ulogu u ljudskom životu jer sprječavaju pretjerano povećanje brzine tijela.
Klasifikacija sila trenja
U općem slučaju, sve vrste sila trenja opisuju se s tri vrste: sila trenja klizanja, kotrljanja i mirovanja. Prva je statična, druga dva su dinamična. Trenje u mirovanju sprječava da se tijelo počne kretati, a kod klizanja, trenje postoji kada se tijelo trlja o površinu drugog tijela tijekom svog kretanja. Trenje kotrljanja nastaje kada se pomiče okrugli predmet. Uzmimo primjer. Upečatljiv primjer te vrste (sila trenja kotrljanja) je kretanje kotača automobila po asf altu.
Priroda sila trenja je postojanje mikroskopskih nesavršenosti između trljajućih površina dvaju tijela. Iz tog razloga, rezultirajuća sila koja djeluje napredmet koji se kreće ili počinje kretati, sastoji se od zbroja sile normalne reakcije oslonca N, koji je usmjeren okomito na površinu tijela u dodiru, i sile trenja F. Potonja je usmjerena paralelno s dodirna površina i suprotna je kretanju tijela.
Trenje između dva čvrsta tijela
Kada se razmatra pitanje različitih vrsta sila trenja, uočeni su sljedeći obrasci za dva čvrsta tijela:
- Sila trenja usmjerena je paralelno s potpornom površinom.
- Koeficijent trenja ovisi o prirodi dodirnih površina, kao io njihovom stanju.
- Maksimalna sila trenja izravno je proporcionalna normalnoj sili ili reakciji potpore koja djeluje između dodirnih površina.
- Za ista tijela, sila trenja je veća prije nego što se tijelo počne kretati, a zatim se smanjuje kada se tijelo počne kretati.
- Koeficijent trenja ne ovisi o kontaktnoj površini i praktički ne ovisi o brzini klizanja.
Zakoni
Sažimajući eksperimentalni materijal o zakonima gibanja, ustanovili smo sljedeće osnovne zakone o trenju:
- Otpor klizanja između dva tijela proporcionalan je normalnoj sili koja djeluje između njih.
- Otpor kretanju između tijela koja se trlja ne ovisi o kontaktnoj površini između njih.
Da bismo demonstrirali drugi zakon, možemo dati sljedeći primjer: ako uzmete blok i pomaknete ga klizanjem po površini, tada je potrebna sila za takvo kretanjebit će isti kada blok leži na površini svojom dugom stranom i kada stoji svojim krajem.
Zakone o raznim vrstama sila trenja u fizici otkrio je krajem 15. stoljeća Leonard da Vinci. Potom su dugo bili zaboravljeni, a tek 1699. ponovno ih je otkrio francuski inženjer Amonton. Od tada zakoni trenja nose njegovo ime.
Zašto je sila trenja veća od sile klizanja u mirovanju?
Kada se razmatra nekoliko vrsta sila trenja (mirovanja i klizanja), treba napomenuti da je statička sila trenja uvijek manja ili jednaka umnošku koeficijenta statičkog trenja i sile reakcije oslonca. Koeficijent trenja se eksperimentalno određuje za ove materijale za trljanje i unosi u odgovarajuće tablice.
Dinamička sila se izračunava na isti način kao i statička sila. Samo u ovom slučaju, koeficijent trenja se koristi posebno za klizanje. Koeficijent trenja obično se označava grčkim slovom Μ (mu). Dakle, opća formula za obje sile trenja glasi: Ftr=ΜN, gdje je N sila reakcije potpore.
Priroda razlike između ovih vrsta sila trenja nije precizno utvrđena. Međutim, većina znanstvenika vjeruje da je statička sila trenja veća od sile klizanja, jer kada tijela neko vrijeme miruju jedno u odnosu na drugo, između njihovih površina mogu nastati ionske veze ili mikrofuzije pojedinih točaka površina. Ovi čimbenici uzrokuju povećanje statikeindikator.
Primjer nekoliko vrsta sila trenja i njihova manifestacija je klip u cilindru motora automobila koji je "zalemljen" na cilindar ako motor ne radi dulje vrijeme.
Horizontalno klizno tijelo
Dobijmo jednadžbu gibanja za tijelo koje se pod djelovanjem vanjske sile Fin počinje kretati po površini klizeći. U tom slučaju na tijelo djeluju sljedeće sile:
- Fv – vanjska sila;
- Ftr – sila trenja koja je suprotna u smjeru sile Fv;
- N je reakcijska sila oslonca, koja je po apsolutnoj vrijednosti jednaka težini tijela P i usmjerena je na površinu, odnosno pod pravim kutom na nju.
Uzimajući u obzir smjerove svih sila, pišemo Newtonov drugi zakon za ovaj slučaj gibanja: Fv - Ftr=ma, gdje je m - masa tijela, a - ubrzanje kretanja. Znajući da je Ftr=ΜN, N=P=mg, gdje je g ubrzanje slobodnog pada, dobivamo: Fv – Μmg=ma. Odatle, izražavajući ubrzanje kojim se klizno tijelo kreće, dobivamo: a=F u / m – Μg.
Kretanje krutog tijela u tekućini
Kada se razmatraju koje vrste sila trenja postoje, treba spomenuti važan fenomen u fizici, a to je opis kretanja čvrstog tijela u tekućini. U ovom slučaju govorimo o aerodinamičkom trenju koje se određuje ovisno o brzini tijela u tekućini. Postoje dvije vrste kretanja:
- Kadakruto tijelo giba se malom brzinom, govori se o laminarnom gibanju. Sila trenja pri laminarnom gibanju proporcionalna je brzini. Primjer je Stokesov zakon za sferna tijela.
- Kada se kretanje tijela u tekućini dogodi većom brzinom od određene granične vrijednosti, tada se oko tijela počinju pojavljivati vrtlozi iz strujanja tekućine. Ovi vrtlozi stvaraju dodatnu silu koja ometa kretanje, a kao rezultat toga, sila trenja je proporcionalna kvadratu brzine.
Priroda sile trenja kotrljanja
Kada se govori o vrstama sila trenja, uobičajeno je da se sila trenja kotrljanja naziva trećom vrstom. Očituje se kada se tijelo kotrlja preko određene površine i dolazi do deformacije tog tijela i same površine. To jest, u slučaju apsolutno nedeformabilnog tijela i površine, nema smisla govoriti o sili trenja kotrljanja. Pogledajmo pobliže.
Koncept koeficijenta trenja kotrljanja sličan je onom za klizanje. Budući da tijekom kotrljanja nema klizanja između površina tijela, koeficijent trenja kotrljanja je puno manji nego kod klizanja.
Glavni faktor koji utječe na koeficijent je histereza mehaničke energije za vrstu sile trenja kotrljanja. Konkretno, kotač se, ovisno o materijalu od kojeg je izrađen, kao i o opterećenju koje nosi, tijekom kretanja elastično deformira. Ponavljajući ciklusi elastične deformacije dovode do prijenosa dijela mehaničke energije u toplinsku energiju. Osim toga, zbogoštećenje, kontakt kotača i površine već ima ograničenu kontaktnu površinu.
formula sile trenja kotrljanja
Ako primijenimo izraz za moment sile koja rotira kotač, tada možemo dobiti da je sila trenja kotrljanja Ftr.k.=Μ k N / R, ovdje je N reakcija oslonca, R je polumjer kotača, Μk – koeficijent trenja kotrljanja. Dakle, sila trenja kotrljanja je obrnuto proporcionalna polumjeru, što objašnjava prednost velikih kotača u odnosu na male.
Obrnuta proporcionalnost ove sile s polumjerom kotača sugerira da je u slučaju dva kotača različitih polumjera koji imaju istu masu i izrađeni su od istog materijala, kotač većeg radijusa lakše pomakni se.
Omjer kotrljanja
U skladu s formulom za ovu vrstu sile trenja, dobivamo da koeficijent trenja kotrljanja Μk ima dimenziju duljine. To uglavnom ovisi o prirodi tijela u kontaktu. Vrijednost, koja je određena omjerom koeficijenta trenja kotrljanja i polumjera, naziva se koeficijent kotrljanja, odnosno Ck=Μk / R je bezdimenzionalna veličina.
Koeficijent kotrljanja Ck je znatno manji od koeficijenta trenja klizanja Μtr. Stoga, kada odgovaramo na pitanje koja je vrsta sile trenja najmanja, možemo sa sigurnošću nazvati silu trenja kotrljanja. Zahvaljujući ovoj činjenici, izum kotača smatra se važnim korakom u tehnološkom napretku.čovječanstvo.
Omjer kotrljanja je specifičan za sustav i ovisi o sljedećim čimbenicima:
- tvrdoća kotača i površine (što je manja deformacija tijela koja se javlja tijekom kretanja, to je manji koeficijent kotrljanja);
- radijus kotača;
- tega koja djeluje na kotač;
- kontaktna površina i njezin oblik;
- viskoznost u području kontakta između kotača i površine;
- tjelesna temperatura
