Sådan finder man friktionskoefficienten: eksperimentelle metoder

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 17:43

Friktion er den fysiske proces, uden hvilken selve bevægelsen i vores verden ikke kunne eksistere. I fysik, for at beregne den absolutte værdi af friktionskraften, er det nødvendigt at kende en speciel koefficient for de gnidningsoverflader, der overvejes. Hvordan finder man friktionskoefficienten? Denne artikel vil besvare dette spørgsmål.

Friktion i fysik

Før man besvarer spørgsmålet om, hvordan man finder friktionskoefficienten, er det nødvendigt at overveje, hvad friktion er, og hvilken kraft den er karakteriseret ved.

I fysik er der tre typer af denne proces, der finder sted mellem faste objekter. Dette er friktionen af hvile, glidning og rulning. Friktion opstår altid, når en ekstern kraft forsøger at flytte en genstand. Glidefriktion, som navnet antyder, opstår, når en overflade glider over en anden. Endelig opstår der rullefriktion, når en rund genstand (hjul, kugle) ruller på en overflade.

Fælles for alle typer er, at de forhindrer nogenbevægelse og anvendelsespunktet for deres kræfter er i kontaktområdet mellem to genstandes overflader. Alle disse typer omdanner desuden mekanisk energi til varme.

Glidningskræfterne og statisk friktion er forårsaget af mikroskopisk ruhed på overflader, der gnider. Derudover skyldes disse typer dipol-dipol og andre typer interaktioner mellem atomer og molekyler, der danner gnidningslegemer.

Årsagen til rullefriktion er relateret til hysteresen af elastisk deformation, der opstår i kontaktpunktet mellem den rullende genstand og overfladen.

Friktionskraft og friktionskoefficient

Alle tre typer faste friktionskræfter er beskrevet ved udtryk, der har samme form. Her er hende:

F_t=µ_tN.

Her er N kraften, der virker vinkelret på overfladen på kroppen. Det kaldes støttereaktionen. Værdien µ_{t- kaldes koefficienten for den tilsvarende type friktion.}

Koefficienter for glide- og hvilefriktion er dimensionsløse størrelser. Dette kan forstås ved at se på ligheden mellem friktionskraften og friktionskoefficienten. Venstre side af ligningen er udtrykt i newton, højre side er også udtrykt i newton, da N er en kraft.

Med hensyn til rullefriktion vil koefficienten for den også være en dimensionsløs værdi, men den er defineret som forholdet mellem den lineære karakteristik af elastisk deformation og radius af det rullende objekt.

Det skal siges, at de typiske værdier for glide- og hvilefriktionskoefficienterne er tiendedele af en enhed. Til friktionrullende svarer denne koefficient til hundrededele og tusindedele af en enhed.

Hvordan finder man friktionskoefficienten?

Koefficient µ_{t afhænger af en række faktorer, som er svære at tage højde for matematisk. Vi lister nogle af dem:}

• materiale til gnidning af overflader;
• overfladekvalitet;
• tilstedeværelsen af snavs, vand og så videre;
• overfladetemperaturer.

Derfor er der ingen formel for µ_t, og det skal måles eksperimentelt. For at forstå, hvordan man finder friktionskoefficienten, skal den udtrykkes ud fra formlen for F_{t. Vi har:}

µ_t =F_t/N.

Det viser sig, at for at vide µ_{ter det nødvendigt at finde friktionskraft og støttereaktion.}

Det tilsvarende eksperiment udføres som følger:

1. Tag en krop og et fly, for eksempel lavet af træ.
2. Klæb dynamometeret til kroppen, og flyt det jævnt over overfladen.

Samtidig viser dynamometeret en vis kraft, som er lig med F_{t. Jordreaktionen er lig med kroppens vægt på en vandret overflade.}

Den beskrevne metode giver dig mulighed for at forstå, hvad koefficienten for statisk og glidende friktion er. På samme måde kan du eksperimentelt bestemme µ_trullende.

En anden eksperimentel metode til at bestemme µ_{t er givet i form af et problem i næste afsnit.}

Problem med at beregne µt

Træbjælken er på glasoverfladen. Ved jævnt vipning af overfladen fandt vi ud af, at glidningen af strålen begynder ved en hældningsvinkel på 15o. Hvad er den statiske friktionskoefficient for et træ-glas-par?

Når strålen var på et skråplan ved 15o, så havde hvilefriktionskraften for den en maksimal værdi. Det er lig med:

F_t=mgsin(α).

Force N bestemmes af formlen:

N=mgcos(α).

Ved at anvende formlen for µ_{t, får vi:}

µ_t=F_{t/N=mgsin(α)/(mgcos(α))=tg(α).}

Ved at erstatte vinklen α kommer vi frem til svaret: µ_{t=0, 27.}