Typy tarcia, współczynnik, obliczenia, ćwiczenia

tarcie Jest to opór na przemieszczenie jednej powierzchni w kontakcie z inną. Jest to powierzchowne zjawisko, które występuje między materiałami stałymi, ciekłymi i gazowymi. STYKALNA Siła Oporu do dwóch powierzchni w styku, która sprzeciwia się kierunku względnego przesunięcia między tymi powierzchniami, jest również nazywana siłą tarcia lub siłą tarcia F_R.

Aby wypierać ciało stałe na powierzchni, należy zastosować siłę zewnętrzną, która może przezwyciężyć tarcie. Kiedy ciało się porusza, siła tarcia działa na ciało, zmniejszając jego prędkość, a nawet może ją zatrzymać.

Tarcie [autor: Keta, Pietter Kuiper (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/plik: tarcie.Svg)]

Siła tarcia może być reprezentowana graficznie za pomocą schematu sił ciała w kontakcie z powierzchnią. Na tym schemacie siła tarcia F_R Jest rysowany przez składnik siły przyłożonej do ciała stycznego na powierzchnię.

Powierzchnia styku wywiera siłę reakcji na ciało zwane siłą normalną N. W niektórych przypadkach normalna siła jest spowodowana tylko wagą P ciała, które spoczywa na powierzchni, aw innych przypadkach jest to spowodowane siłami przyłożonymi innymi niż siła grawitacji.

Tarcie pochodzi, ponieważ między powierzchniami w kontakcie są mikroskopijne rugos. Kiedy próbujesz przesunąć jedną powierzchnię na drugiej. Z kolei straty energii są wytwarzane w postaci ciepła, które nie jest używane do poruszania ciała.

[TOC]

Rodzaje tarcia

Istnieją dwa główne rodzaje tarcia: tarcie Kulomb o Suche tarcia i tarcie płynne.

-Tarcie Coulomba

Tarcie Kulomb Zawsze sprzeciwia się ruchowi ciał i jest podzielone na dwa rodzaje tarcia: tarcia statyczne i tarcie kinetyczne (lub dynamiczne).

W tarciu statycznym na powierzchni nie ma ruchu ciała. Stosowana siła jest bardzo niska i nie wystarczy, aby przezwyciężyć siłę tarcia. Tarcie ma maksymalną wartość proporcjonalną do normalnej siły i nazywa się siłą tarcia statyczną F_Odnośnie.

Siła tarcia statyczna jest zdefiniowana jako maksymalna siła, która opiera się na początku ruchu ciała. Gdy przyłożona siła przekracza siłę tarcia statycznego, pozostaje ona o maksymalnej wartości.

Tarcie kinetyczne działa, gdy ciało jest w ruchu. Siła wymagana do utrzymania ciała z tarciem nazywa się siłą tarcia kinetyczną F_RC.

Siła tarcia kinetycznego jest mniejsza lub równa siła tarcia statycznego, ponieważ gdy ciało zacznie się poruszać, łatwiej jest ją przesuwać niż próbować to zrobić, gdy w spoczynku.

Prawo tarcia Coulomba

1. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do siły normalnej do powierzchni styku. Stała proporcjonalności jest współczynnikiem tarcia μ który istnieje między powierzchniami w kontakcie.
2. Siła tarcia jest niezależna od wielkości pozornego obszaru kontaktu między powierzchniami.
3. Siła tarcia kinetyczna jest niezależna od prędkości przesuwanej ciała.

-Tarcie płynne

Tarcie występuje również, gdy ciała poruszają się w kontakcie z materiałami cieczy lub gazowymi. Ten rodzaj tarcia nazywa się tarciem płynowym i jest definiowany jako odporność na ruch ciał w kontakcie z płynem.

Może ci służyć: Easy Physics Experiments (pierwotna uniwersytet)

Tarcie płynowe odnosi się również do odporności płynu do przepływu w kontakcie z warstwami płynu o tym samym materiale lub innym, i zależy od prędkości i lepkości płynu. Lepkość jest miarą odporności na ruch płynu.

-Tarcie Stokes

Tarcie Stokes jest rodzajem tarcia płynowego, w którym cząsteczki sferyczne zanurzone w lepkim płynie, w przepływie laminarnym, doświadczają siły tarcia, która spowalnia jego ruch z powodu fluktuacji cząsteczek płynu.

Tarcie Stokes [autor: KraaaNennest (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/plik: Stokes_Sphere.Svg)]

Przepływ jest laminarny, gdy siły lepkie, które sprzeciwiają się ruchowi płynu, są większe niż siły bezwładnościowe, a płyn porusza się z wystarczająco małą prędkością i w trajektorii prostoliniowej.

Współczynniki tarcia

Zgodnie z pierwszym prawem tarcia Kulomb Współczynnik tarcia μ Jest to uzyskiwane z związku między siłą tarcia a siłą normalną do powierzchni styku.

μ = f_R/N

Współczynnik μ Jest to ilość bezwymiarowa, ponieważ jest to związek między dwiema siłami, który zależy od charakteru i obróbki materiałów w kontakcie. Zasadniczo wartość współczynnika tarcia wynosi od 0 do 1.

Współczynnik tarcia statycznego

Współczynnik tarcia statycznego jest stałą proporcjonalności, która istnieje między siłą, która zapobiega ruchowi ciała w stanie styku na powierzchni styku i normalną siłą na powierzchnię.

μ_I= F_Odnośnie/N

Współczynnik tarcia kinetycznego

Współczynnik tarcia kinetycznego jest stałą proporcjonalności, która istnieje między siłą ograniczającą ruch ciała, który porusza się na powierzchni, a normalną siłą do powierzchni.

μ_C= F_RC/N

Współczynnik tarcia statycznego jest większy niż współczynnik tarcia kinetycznego.

μ_S> μ_C

Elastyczne współczynnik tarcia

Współczynnik tarcia sprężystego wywodzi się z tarcia między powierzchniami kontaktowymi sprężystymi, miękkimi lub szorstkimi materiałami zdeformowanymi przez stosowane siły. Tarcie sprzeciwia się względnemu ruchowi między dwiema powierzchniami sprężystymi, a przemieszczeniu towarzyszy elastyczne odkształcenie warstw powierzchniowych materiału.

Współczynnik tarcia uzyskany w tych warunkach zależy od stopnia chropowatości powierzchni, od właściwości fizycznych materiałów kontaktowych i wielkości stycznej elementu siły rozprawy w interfejsie materiałowym.

Współczynnik tarcia molekularnego

Współczynnik tarcia molekularnego uzyskuje się z siły ograniczającej ruch cząstki, która przesuwa się po miękkiej powierzchni lub przez płyn.

Jak obliczane jest tarcie?

Siła tarcia w interfejsach stałych oblicza się za pomocą równania F_R = μn

N Jest to normalna siła i μ Jest to współczynnik tarcia.

W niektórych przypadkach normalna siła jest równa wagi ciała P. Waga jest uzyskiwana przez pomnożenie masy M ciała z powodu przyspieszenia grawitacji G.

P= Mg

Zastępując równanie wagowe w równaniu siły tarcia, uzyskuje się go:

Może ci służyć: średnie przyspieszenie: jak jest obliczane i rozwiązane

F_R = μmg

Normalne cechy

Gdy obiekt spoczywa na płaskiej powierzchni, normalna siła jest tą, która wywiera powierzchnię na ciele i sprzeciwia się sile z powodu grawitacji, zgodnie z prawem działania i reakcji Newtona.

Normalna siła zawsze działa prostopadle do powierzchni. Na pochyłej powierzchni normalne maleje wraz ze wzrostem kąt nachylenia i wskazuje w kierunku prostopadłym od powierzchni, podczas gdy punkty wagowe pionowo spadają. Równanie siły normalnej na nachylonej powierzchni to:

N = mgcosθ

θ = kąt nachylenia powierzchni styku.

Tarcie w pochylonej płaszczyźnie [przez Mets501 (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/file: free_body.Svg)]

Składnikiem siły działającej na ciało w celu przesuwania się jest:

F = mgsenθ

W miarę wzrostu siły przyłożonej do maksymalnej wartości siły tarcia, wartość ta odpowiada statycznej sile tarcia. Gdy  F = f_Odnośnie, Siła tarcia statyczna to:

F_Odnośnie= mgsenθ

A statyczny współczynnik tarcia jest uzyskiwany przez styczną kąta nachylenia θ.

μ_I = tanθ

Rozwiązane ćwiczenia

-Siła tarcia obiektu, która spoczywa na poziomej powierzchni

15 kg pudełka umieszczone na poziomej powierzchni jest wypychana przez osobę, która stosuje siłę 50 Newton wzdłuż powierzchni, aby się poruszyć, a następnie zastosować siłę 25 N, aby utrzymać pudełko w ruchu ze stałą prędkością. Określ współczynniki tarcia statycznego i kinetycznego.

Pudełko poruszające się po poziomej powierzchni

Rozwiązanie: Z wartością przyłożonej siły do ​​przeniesienia pudełka uzyskuje się współczynnik tarcia statycznego μ_I.

μ_I= F_Odnośnie/N

Normalna siła N na powierzchnię jest równe ciężarowi pudełka, więc N = m.G

N = 15kgx9,8 m/s²

N = 147NEW

W tym przypadku, μ_I= 50NEW/147NEW

μ_I= 0,34

Nałożona siła do utrzymania prędkości stałej pudełka jest siła tarcia kinetycznego, która jest równa 25NEW.

Współczynnik tarcia kinetycznego uzyskuje się przy równaniu μ_C= F_RC /N

μ_C= 25NEW/147NEW

μ_C= 0,17

-Siła tarcia obiektu pod działaniem siły z kątem nachylenia

Mężczyzna stosuje siłę do pudełka o 20 kg, z kątem zastosowania 30 ° w stosunku do powierzchni, na której odpoczywa. Jaka jest wielkość przyłożonej siły do ​​przesuwania pudełka, jeśli współczynnik tarcia między pudełkiem a powierzchnią wynosi 0,5?

Rozwiązanie: Stosowana siła oraz jej pionowe i poziome elementy są reprezentowane na schemacie wolnego ciała.

Schemat wolnego ciała

Przyłożona siła tworzy kąt 30 ° z poziomą powierzchnią. Pionowy element siły dodaje do siły normalnej wpływającej na siłę tarcia statyczną. Pudełko porusza się, gdy poziomy składnik przyłożonej siły przekracza maksymalną wartość siły tarcia F_Odnośnie. Dopasowywanie poziomego składnika siły do ​​tarcia statycznego, uzyskuje się:

F_Odnośnie = FCOSθ                       [1]

F_Odnośnie= μ_I.N                          [2]

Może ci służyć: Rutherford Atomic Model: History, Experiments, Postulates

μ_I.N = fcosθ                      [3]

normalna siła

Normalna siła nie jest już ciężarem ciała z powodu pionowego składnika siły.

Zgodnie z drugim prawem Newtona suma sił działających na polu na osi pionowej jest nieważna, dlatego pionowy składnik przyspieszenia wynosi Do_I= 0. Siła normalna jest uzyskiwana z sumy

F Sen30 ° + N - P = 0                      [4]

P = m.G                                        [5]

F Snn 30 ° + N - m.G = 0                [6]

N = m.G - F Sen 30 °                      [7]

Podczas zastępowania równania [7] w równaniu [3] Uzyskuje się następujące:

μ_I. (M.G - F sin 30 °) = FCOS30 °     [8]

To oczyszcza F Z równania [8] i uzyskane:

F = μ_I . M.G /(cos 30 ° + μ_I sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m/s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5NEW

-Tarcie w poruszającym się pojeździe

1,5 ton pojazdu porusza się po prostoliniowej i poziomej drodze z prędkością 70 km/h. Kierowca wizualizuje w pewnej odległości przeszkody na drodze, które zmuszają go do ostrego zatrzymania. Po zatrzymaniu pojazdu na łyżwach przez krótki czas, aż się zatrzyma. Jeżeli współczynnik tarcia między oponami a drogą wynosi 0,7; Określ następujące:

1. Jaka jest wartość tarcia, podczas gdy pojazd patyny?
2. Opóźnienie pojazdu
3. Odległość przejechana przez pojazd od przystanków, aż się zatrzyma.

Rozwiązanie:

Sekcja A

Schemat wolnego ciała pokazuje siły działające na pojazd podczas jazdy na łyżwach.

Siły działające w poruszającym się pojeździe

Ponieważ suma sił działających w osi pionowej wynosi zero, siła normalna jest równa ciężaru pojazdu.

N = m.G

M = 1,5 tony = 1500 kg

N = 1500 kgx9,8 m/s²= 14700NEW

Siła tarcia pojazdu podczas jazdy na łyżwach jest:

F_R = μn = 0,7 x 14700NEW

= 10290 NOWOŚĆ

Sekcja b

Siła tarcia wpływa na spadek prędkości pojazdu podczas jazdy na łyżwach.

Podczas stosowania drugiego prawa Newtona wartość spowolnienia uzyskuje się przez wyczyszczenie równania F = m.Do

A = f/m

a = (-10290 NOWOŚĆ)/ 1500 kG

= -6,86 m/s²

Sekcja c

Początkowa prędkość pojazdu jest v₀ = 70 km/h = 19,44 m/s

Kiedy pojazd zatrzymuje swoją ostatnią prędkość v_F = 0 A opóźnienie jest a = -6,86 m/s²

Odległość przejechana przez pojazd, ponieważ zatrzymuje się, aż się zatrzyma, uzyskuje D z następującego równania:

v_F² = v₀²+2ad

D = (v_F² - v₀²)/2a

= ((0)²-(19,44 m/s)²)/(2x (-6,86 m/s²)

D = 27,54 m

Pojazd podróżuje 27,54 m odległość przed zatrzymaniem.

 Bibliografia

1. Obliczenia współczynnika tarcia w elastycznych warunkach kontaktowych. Mikhin, n m. 2, 1968, Radzieckie Materiały Science, t. 4, str. 149-152.
2. Blau, p j. Nauka i technologia tarcia. Floryda, USA: CRC Press, 2009.
3. Związek między siłami przyczepności i tarcia. Isralachvili, J N, Chen, You-Lung i Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, t. 8, str. 1231-1249.
4. Zimba, J. Siła i ruch. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, ur. Zasady i zastosowania trybologii. Nowy Jork: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, C S i Purohit, K. Teoria mechanizmów i maszyn. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.