I et særligt afsnit af fysik - dynamik, når de studerer legemers bevægelse, overvejer de de kræfter, der virker på det bevægelige system. Sidstnævnte kan udføre både positivt og negativt arbejde. Overvej i denne artikel, hvad friktionskraftens arbejde er, og hvordan den beregnes.
Begrebet arbejde i fysik
I fysik er begrebet "arbejde" anderledes end den almindelige idé med dette ord. Arbejde forstås som en fysisk størrelse, som er lig med skalarproduktet af kraftvektoren og kroppens forskydningsvektor. Antag, at der er en genstand, som kraften F¯ virker på. Da ingen andre kræfter virker på den, vil dens forskydningsvektor l¯ falde sammen i retning med vektoren F¯. Skalarproduktet af disse vektorer vil i dette tilfælde svare til produktet af deres moduler, dvs.:
A=(F¯l¯)=Fl.
Værdien A er det arbejde, som kraften F¯ udfører for at flytte objektet et stykke l. Under hensyntagen til dimensionerne af værdierne F og l, finder vi, at arbejdet er målt i newton per meter (Nm) i SI-systemet. Dog enhedenNm har sit eget navn - det er en joule. Det betyder, at begrebet arbejde er det samme som begrebet energi. Med andre ord, hvis en kraft på 1 newton flytter et legeme 1 meter, så er de tilsvarende energiomkostninger 1 joule.
Hvad er friktionskraften?
Det er muligt at studere spørgsmålet om friktionskraftens arbejde, hvis du ved, hvilken slags kraft vi taler om. Friktion i fysik er en proces, der forhindrer enhver bevægelse af en krop på overfladen af en anden, når disse overflader bringes i kontakt.
Hvis vi kun betragter faste legemer, så er der tre typer friktion for dem:
- rest;
- slip;
- rullende.
Disse kræfter virker mellem kontaktflader og er altid rettet mod bevægelser af legemer.
Hvilende friktion forhindrer selve bevægelsen, glidende friktion viser sig i bevægelsesprocessen, når kroppens overflader glider over hinanden, og der er rullefriktion mellem kroppen, der ruller på overfladen, og selve overfladen.
Et eksempel på virkningen af statisk friktion er en bil, der er på håndbremsen på en bakkeskråning. Glidende friktion viser sig, når en skiløber bevæger sig på sne eller en skater bevæger sig på is. Endelig virker rullefriktion, mens bilens hjul bevæger sig langs vejen.
Kræfter for alle tre typer friktion beregnes ved hjælp af følgende formel:
Ft=µtN.
Her er N støttereaktionskraften, µt er friktionskoefficienten. Force Nviser størrelsen af støttens påvirkning på kroppen vinkelret på overfladens plan. Hvad angår parameteren µt, måles den eksperimentelt for hvert par gnidningsmaterialer, for eksempel træ-træ, stål-sne, og så videre. De målte resultater er samlet i specielle tabeller.
For hver friktionskraft har koefficienten µt sin egen værdi for det valgte materialepar. Således er den statiske friktionskoefficient større end den for glidende friktion med flere titusinder. Til gengæld er rullekoefficienten 1-2 størrelsesordener mindre end for glidning.
Friktionskræfternes arbejde
Nu, efter at have stiftet bekendtskab med begreberne arbejde og med typerne af friktion, kan du gå direkte til artiklens emne. Lad os overveje alle typer friktionskræfter i rækkefølge og finde ud af, hvilket arbejde de udfører.
Lad os starte med statisk friktion. Denne type viser sig, når kroppen ikke bevæger sig. Da der ikke er nogen bevægelse, er dens forskydningsvektor l¯ lig med nul. Det sidste betyder, at den statiske friktionskrafts arbejde også er lig nul.
Glidende friktion virker pr. definition kun, når kroppen bevæger sig i rummet. Da kraften af denne type friktion altid er rettet mod kroppens bevægelse, betyder det, at den udfører negativt arbejde. Værdien af A kan beregnes ved hjælp af formlen:
A=-Ftl=-µtNl.
Arbejdet med den glidende friktionskraft er rettet mod at bremse kroppens bevægelse. Som et resultat af dette arbejde omdannes kroppens mekaniske energi til varme.
Rullende friktion, ligesom glidning, involverer også kropsbevægelse. Den rullende friktionskraft udfører negativt arbejde og bremser den indledende rotation af kroppen. Da vi taler om kroppens rotation, er det praktisk at beregne værdien af denne krafts arbejde gennem arbejdet med dens momentum. Den tilsvarende formel er skrevet som:
A=-Mθ hvor M=FtR.
Her er θ kroppens rotationsvinkel som følge af rotation, R er afstanden fra overfladen til rotationsaksen (hjulradius).
Problem med glidende friktionskraft
Det er kendt, at en træklods er på kanten af et skrånende træplan. Flyet hælder mod horisonten i en vinkel på 40o. Ved at vide, at glidefriktionskoefficienten er 0,4, længden af flyet er 1 meter, og stangens masse svarer til 0,5 kg, er det nødvendigt at finde arbejdet med glidende friktion.
Beregn kraften af glidende friktion. Det er lig med:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Så vil det tilsvarende værk A være:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Rullende friktionsproblem
Det er kendt, at hjulet rullede langs vejen et stykke vej og stoppede. Hjulets diameter er 45 cm Antallet af omdrejninger af hjulet før stop er 100. Under hensyntagen til rullekoefficienten lig med 0,03 er det nødvendigt at finde, hvad arbejdet med den rullende friktionskraft er lig med. Hjulets masse er 5 kg.
Først, lad os beregne det rullende friktionsmoment:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Hvis antallet af omdrejninger foretaget af hjulet multipliceres med 2pi radianer, får vi hjulets rotationsvinkle θ. Så er formlen for arbejde:
A=-Mθ=-M2pin.
Hvor n er antallet af omdrejninger. Ved at erstatte momentet M og tallet n fra betingelsen opnår vi det påkrævede arbejde: A=- 207,87 J.
