Vi er alle bekendt med manifestationen af friktionskraften. Faktisk er enhver bevægelse i hverdagen, hvad enten det er at gå en person eller flytte et køretøj, umulig uden deltagelse af denne kraft. I fysik er det sædvanligt at studere tre typer friktionskræfter. I denne artikel vil vi overveje en af dem, vi vil finde ud af, hvad statisk friktion er.
Bøjle på en vandret overflade
Før vi fortsætter med at besvare spørgsmålene, hvad er den statiske friktionskraft, og hvad er den lig med, lad os overveje et simpelt tilfælde med en stang, der ligger på en vandret overflade.
Lad os analysere, hvilke kræfter der virker på stangen. Den første er vægten af selve varen. Lad os betegne det med bogstavet P. Det er rettet lodret ned. For det andet er dette reaktionen af støtten N. Den er rettet lodret opad. Newtons anden lov for sagen under overvejelse vil blive skrevet i følgende form:
ma=P - N.
Minustegnet her afspejler de modsatte retninger af vægt- og støttereaktionsvektorerne. Da blokken er i hvile, er værdien af a nul. Det sidste betyder, at:
P - N=0=>
P=N.
Støttens reaktion afbalancerer kroppens vægt og er lig med den i absolut værdi.
Ydre kraft, der virker på en stang på en vandret overflade
Lad os nu tilføje endnu en handlekraft til situationen beskrevet ovenfor. Lad os antage, at en person begynder at skubbe en blok langs en vandret overflade. Lad os betegne denne kraft med bogstavet F. Man kan bemærke en forbløffende situation: hvis kraften F er lille, så fortsætter stangen på trods af dens virkning med at hvile på overfladen. Kroppens vægt og støttens reaktion er rettet vinkelret på overfladen, så deres vandrette fremspring er lig med nul. Med andre ord kan kræfterne P og N ikke modsætte sig F på nogen måde. Hvorfor forbliver stangen i så fald i ro og bevæger sig ikke?
Det er klart, at der skal være en kraft, der er rettet mod kraften F. Denne kraft er den statiske friktion. Den er rettet mod F langs en vandret overflade. Det virker i kontaktområdet mellem den nederste kant af stangen og overfladen. Lad os betegne det med symbolet Ft. Newtons lov for horisontal projektion vil blive skrevet som:
F=Ft.
Dermed er modulet for den statiske friktionskraft altid lig med den absolutte værdi af de eksterne kræfter, der virker langs den vandrette overflade.
Start af taktbevægelse
For at nedskrive formlen for statisk friktion, lad os fortsætte eksperimentet, der startede i de foregående afsnit i artiklen. Vi vil øge den absolutte værdi af den eksterne kraft F. Baren vil stadig forblive i ro i nogen tid, men der vil komme et øjeblik, hvor den begynder at bevæge sig. På dette tidspunkt vil den statiske friktionskraft nå sin maksimale værdi.
For at finde denne maksimale værdi skal du tage en anden bjælke, nøjagtig den samme som den første, og lægge den ovenpå. Barens kontaktflade med overfladen er ikke ændret, men dens vægt er fordoblet. Det blev eksperimentelt fundet, at kraften F ved løsrivelse af stangen fra overfladen også fordobledes. Dette faktum gjorde det muligt at skrive følgende formel for statisk friktion:
Ft=µsP.
Det vil sige, at den maksimale værdi af friktionskraften viser sig at være proportional med vægten af kroppen P, hvor parameteren µs fungerer som en proportionalitetskoefficient. Værdien µs kaldes den statiske friktionskoefficient.
Da kropsvægten i eksperimentet er lig med støttereaktionskraften N, kan formlen for Ft omskrives som følger:
Ft=µsN.
I modsætning til det foregående kan dette udtryk altid bruges, selv når kroppen er på et skråplan. Modulet for den statiske friktionskraft er direkte proportional med den støttereaktionskraft, som overfladen virker på kroppen med.
Fysiske årsager til kraft Ft
Spørgsmålet om, hvorfor statisk friktion opstår, er komplekst og kræver overvejelse af kontakt mellem legemer på mikroskopisk og atomært niveau.
Generelt er der to fysiske årsager til magtFt:
- Mekanisk interaktion mellem toppe og lavninger.
- Fysisk-kemisk interaktion mellem atomer og molekyler i legemer.
Uanset hvor glat enhver overflade er, har den uregelmæssigheder og uhomogeniteter. Groft sagt kan disse inhomogeniteter repræsenteres som mikroskopiske toppe og lavninger. Når toppen af et legeme falder ind i et andet legemes hulrum, sker der mekanisk kobling mellem disse kroppe. Et stort antal mikroskopiske koblinger er en af årsagerne til fremkomsten af statisk friktion.
Den anden grund er den fysiske og kemiske interaktion mellem de molekyler eller atomer, der udgør kroppen. Det er kendt, at når to neutrale atomer nærmer sig hinanden, kan nogle elektrokemiske vekselvirkninger forekomme mellem dem, for eksempel dipol-dipol eller van der Waals vekselvirkninger. I det øjeblik bevægelsen begynder, er stangen tvunget til at overvinde disse interaktioner for at bryde væk fra overfladen.
Features of Ft-styrke
Det er allerede blevet noteret ovenfor, hvad den maksimale statiske friktionskraft er lig med, og også dens virkningsretning er angivet. Her lister vi andre karakteristika for mængden Ft.
Hvilefriktion afhænger ikke af kontaktområdet. Det bestemmes udelukkende af støttens reaktion. Jo større kontaktareal, jo mindre deformation af mikroskopiske toppe og lavninger, men jo større antal. Dette intuitive faktum forklarer, hvorfor det maksimale Ftt ikke ændres, hvis bjælken vendes til kanten med den mindreområde.
Hvilefriktion og glidende friktion er af samme karakter, beskrevet med de samme formler, men den anden er altid mindre end den første. Glidefriktion opstår, når blokken begynder at bevæge sig langs overfladen.
Force Ft er en ukendt størrelse i de fleste tilfælde. Formlen, der er givet ovenfor for den, svarer til den maksimale værdi af Ft i det øjeblik, bjælken begynder at bevæge sig. For at forstå denne kendsgerning mere tydeligt er der nedenfor en graf over afhængigheden af kraften Ft af den ydre påvirkning F.
Det kan ses, at med stigende F, stiger den statiske friktion lineært, når et maksimum og falder derefter, når kroppen begynder at bevæge sig. Under bevægelsen er det ikke længere muligt at tale om kraften Ft, da den er erstattet af glidende friktion.
Endelig er den sidste vigtige egenskab ved Ft styrken, at den ikke afhænger af bevægelseshastigheden (ved relativt høje hastigheder, Ftfalder).
friktionskoefficient µs
Da µs optræder i formlen for friktionsmodulet, bør der siges et par ord om det.
Friktionskoefficienten µs er en unik egenskab for de to overflader. Det afhænger ikke af kropsvægten, det bestemmes eksperimentelt. For et træ-træ-par varierer det for eksempel fra 0,25 til 0,5 afhængigt af trætypen og kvaliteten af overfladebehandlingen af gnidningslegemer. Til voksede træoverflader påvåd sne µs=0,14, og for menneskelige led tager denne koefficient meget lave værdier (≈0,01).
Uanset værdien af µs for det pågældende materialepar, vil en lignende glidefriktionskoefficient µk altid være mindre. Når du f.eks. glider et træ på et træ, er det lig med 0,2, og for menneskelige led overstiger det ikke 0,003.
Dernæst vil vi overveje løsningen af to fysiske problemer, hvor vi kan anvende den erhvervede viden.
Bar på en skrå overflade: kraftberegning Ft
Den første opgave er ret enkel. Lad os antage, at en træblok ligger på en træoverflade. Dens masse er 1,5 kg. Overfladen hælder i en vinkel på 15o i forhold til horisonten. Det er nødvendigt at bestemme den statiske friktionskraft, hvis det er kendt, at stangen ikke bevæger sig.
Fangsten ved dette problem er, at mange mennesker starter med at beregne støttens reaktion og derefter bruge referencedataene for friktionskoefficienten µs, og bruge ovenstående formel til at bestemme den maksimale værdi af F t. Men i dette tilfælde er Ft ikke maksimum. Dens modul er kun lig med den ydre kraft, som har tendens til at flytte stangen fra sin plads ned i planet. Denne styrke er:
F=mgsin(α).
Så vil friktionskraften Ft være lig med F. Hvis dataene indsættes i lighed, får vi svaret: den statiske friktionskraft på et skråplan F t=3,81 newton.
Bar på en skrå overflade: beregningmaksimal hældningsvinkel
Lad os nu løse følgende problem: en træklods er på et skråplan af træ. Hvis man antager friktionskoefficienten lig med 0,4, er det nødvendigt at finde den maksimale hældningsvinkel α for planet til horisonten, ved hvilken stangen vil begynde at glide.
Glidningen starter, når projektionen af kropsvægten på flyet bliver lig med den maksimale statiske friktionskraft. Lad os skrive den tilsvarende betingelse:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Ved at erstatte værdien µs=0, 4 i den sidste ligning, får vi α=21, 8o.
