TARCIE: RODZAJE, WSPÓŁCZYNNIK, OBLICZENIA, ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Tarcie jest odporność na ruch powierzchni styka się z drugą. Jest to zjawisko powierzchniowe występujące między materiałami stałymi, ciekłymi i gazowymi. Siła oporu styczna do dwóch stykających się powierzchni, która jest przeciwna do kierunku względnego przemieszczenia między tymi powierzchniami, jest również nazywana siłą tarcia lub siłą tarcia F _r .

Aby przesunąć ciało stałe na powierzchnię, należy przyłożyć siłę zewnętrzną, która może pokonać tarcie. Kiedy ciało się porusza, siła tarcia działa na ciało, spowalniając je, a nawet może je zatrzymać.

Tarcie

Siłę tarcia można przedstawić graficznie za pomocą wykresu siły ciała w kontakcie z powierzchnią. Na tym wykresie siła tarcia F _r jest rysowana przeciwstawnie do składowej siły przyłożonej do ciała stycznie do powierzchni.

Powierzchnia styku wywiera na ciało siłę reakcji zwaną siłą normalną N. W niektórych przypadkach siła normalna wynika jedynie z ciężaru P ciała spoczywającego na powierzchni, aw innych jest wynikiem przyłożonych sił innych niż siła ciężkości.

Tarcie występuje, ponieważ między stykającymi się powierzchniami występują mikroskopijne nierówności. Podczas próby przesuwania jednej powierzchni po drugiej, występuje tarcie między nierównościami, które uniemożliwiają swobodny ruch na złączu. Z kolei straty energii zachodzą w postaci ciepła, które nie jest wykorzystywane do poruszania ciałem.

Rodzaje tarcia

Istnieją dwa główne typy tarcia: tarcie kulombowskie lub tarcie suche i tarcie płynne.

-Tarcie kulombowskie

Tarcie kulombowskie zawsze przeciwstawia się ruchowi ciał i dzieli się na dwa rodzaje tarcia: tarcie statyczne i tarcie kinetyczne (lub dynamiczne).

Przy tarciu statycznym ciało nie porusza się po powierzchni. Przyłożona siła jest bardzo mała i niewystarczająca, aby pokonać siłę tarcia. Tarcie ma maksymalną wartość, która jest proporcjonalna do siły normalnej i nazywana jest statyczną siłą tarcia F _re .

Siła tarcia statycznego jest definiowana jako maksymalna siła, która przeciwstawia się początkowi ruchu ciała. Kiedy przyłożona siła przekracza statyczną siłę tarcia, pozostaje ona na swojej maksymalnej wartości.

Tarcie kinetyczne działa, gdy ciało jest już w ruchu. Siła potrzebna do utrzymania ciała w ruchu z tarciem nazywana jest kinetyczną siłą tarcia F _rc .

Siła tarcia kinetycznego jest mniejsza lub równa statycznej sile tarcia, ponieważ gdy ciało zaczyna się poruszać, łatwiej jest utrzymać się w ruchu niż próbować to zrobić w spoczynku.

Prawa tarcia Coulomba

1. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do siły normalnej do powierzchni styku. Stała proporcjonalności to współczynnik tarcia μ, który istnieje między stykającymi się powierzchniami.
2. Siła tarcia jest niezależna od wielkości pozornej powierzchni styku między powierzchniami.
3. Siła tarcia kinetycznego jest niezależna od prędkości ślizgu nadwozia.

-Fluid tarcie

Tarcie występuje również, gdy ciała poruszają się w kontakcie z materiałami płynnymi lub gazowymi. Ten rodzaj tarcia nazywany jest tarciem płynnym i jest definiowany jako opór ruchu ciał stykających się z płynem.

Tarcie płynu odnosi się również do oporu płynu w kontakcie z warstwami płynu z tego samego lub innego materiału i zależy od prędkości i lepkości płynu. Lepkość jest miarą oporu ruchu płynu.

-Naprawia tarcie

Tarcie Stokesa to rodzaj tarcia płynów, w którym kuliste cząsteczki zanurzone w lepkim płynie w przepływie laminarnym doświadczają siły tarcia, która spowalnia ich ruch z powodu fluktuacji cząsteczek płynu.

Tarcie Stokesa

Przepływ jest laminarny, gdy siły lepkości, które przeciwstawiają się ruchowi płynu, są większe niż siły bezwładności, a płyn porusza się z dostatecznie małą prędkością i po torze prostoliniowym.

Współczynniki tarcia

Zgodnie z pierwszą zasadą tarcia Coulomba, współczynnik tarcia μ jest uzyskiwany z zależności między siłą tarcia a siłą normalną do powierzchni styku.

Współczynnik μ jest wielkością bezwymiarową, ponieważ jest to związek między dwiema siłami, który zależy od rodzaju i obróbki stykających się materiałów. Ogólnie wartość współczynnika tarcia wynosi od 0 do 1.

Statyczny współczynnik tarcia

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

Współczynnik tarcia kinetycznego

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

Współczynnik tarcia statycznego jest większy niż współczynnik tarcia kinetycznego.

Elastyczny współczynnik tarcia

Współczynnik tarcia sprężystego jest wyprowadzany z tarcia między powierzchniami stykowymi materiałów elastycznych, miękkich lub szorstkich, które są odkształcane przez przyłożone siły. Tarcie przeciwdziała względnemu ruchowi między dwiema elastycznymi powierzchniami, a przemieszczeniu towarzyszy elastyczna deformacja powierzchniowych warstw materiału.

Współczynnik tarcia uzyskiwany w tych warunkach zależy od stopnia chropowatości powierzchni, właściwości fizycznych stykających się materiałów oraz wielkości składowej stycznej siły ścinającej na granicy faz materiałów.

Współczynnik tarcia cząsteczkowego

Molekularny współczynnik tarcia jest uzyskiwany z siły, która ogranicza ruch cząstki, która ślizga się po gładkiej powierzchni lub przez płyn.

Jak obliczane jest tarcie?

Siłę tarcia na powierzchniach stałych oblicza się za pomocą równania F _r = μN

Podstawiając równanie ciężaru w równaniu siły tarcia otrzymujemy:

Charakterystyka normalności

Kiedy obiekt spoczywa na płaskiej powierzchni, normalna siła wywierana przez powierzchnię na ciało przeciwdziała sile grawitacji, zgodnie z prawem akcji i reakcji Newtona.

Siła normalna zawsze działa prostopadle do powierzchni. Na pochyłej powierzchni normalna maleje wraz ze wzrostem kąta pochylenia i jest skierowana prostopadle w kierunku od powierzchni, podczas gdy ciężar jest skierowany pionowo w dół. Równanie siły normalnej na pochyłej powierzchni jest następujące:

θ = kąt nachylenia powierzchni styku.

Tarcie w płaszczyźnie nachylonej

Składowa siły działającej na ciało, aby go przesuwać, to:

Wraz ze wzrostem przyłożonej siły zbliża się ona do maksymalnej wartości siły tarcia, wartość ta odpowiada wartości statycznej sile tarcia. Gdy F = F _re , statyczna siła tarcia wynosi:

A współczynnik tarcia statycznego uzyskuje się za pomocą stycznej kąta nachylenia θ.

Rozwiązane ćwiczenia

-Siła tarcia obiektu spoczywającego na poziomej powierzchni

Pudełko o masie 15 kg umieszczone na poziomej powierzchni jest popychane przez osobę, która przykłada siłę 50 niutonów wzdłuż powierzchni w celu jej poruszenia, a następnie przykłada siłę 25 N, aby utrzymać pudełko w ruchu ze stałą prędkością. Wyznacz współczynniki tarcia statycznego i kinetycznego.

Pudełko porusza się po poziomej powierzchni

Rozwiązanie: Mając wartość siły przyłożonej do przesunięcia skrzynki, otrzymujemy współczynnik tarcia statycznego μ _e .

Normalna siła N działająca na powierzchnię jest równa wadze pudełka, więc N = mg

W tym przypadku μ _e = 50 Nowy / 147 Nowy

Siła zastosowana w celu utrzymania stałej prędkości skrzyni jest kinetyczną siłą tarcia, która jest równa 25 New.

Współczynnik tarcia kinetycznego uzyskuje się ze wzoru μ _c = F _rc / N

-Siła tarcia obiektu pod działaniem siły o kącie nachylenia

Mężczyzna przykłada siłę do pudełka o masie 20 kg, pod kątem 30 ° w stosunku do powierzchni, na której spoczywa. Jaka jest wielkość siły przyłożonej do poruszenia pudła, jeżeli współczynnik tarcia pomiędzy pudełkiem a powierzchnią wynosi 0,5?

Rozwiązanie: Wykres swobodnego ciała przedstawia przyłożoną siłę oraz jej składową pionową i poziomą.

Diagram swobodnego ciała

Przyłożona siła tworzy kąt 30 ° z poziomą powierzchnią. Pionowa składowa siły sumuje się z siłą normalną wpływającą na siłę tarcia statycznego. Skrzynka przesuwa się, gdy pozioma składowa przyłożonej siły przekracza maksymalną wartość siły tarcia F _re . Zrównanie poziomej składowej siły z tarciem statycznym daje:

normalna siła

Siła normalna nie jest już ciężarem ciała ze względu na pionową składową siły.

Zgodnie z drugim prawem Newtona, suma sił działających na skrzynkę na osi pionowej wynosi zero, dlatego składowa pionowa przyspieszenia wynosi a _y = 0. Siłę normalną uzyskuje się z sumy

Podstawiając równanie do równania, otrzymujemy:

-Tarcie w poruszającym się pojeździe

Pojazd o masie 1,5 tony porusza się po prostej i poziomej drodze z prędkością 70 km / h. Kierowca widzi w pewnej odległości przeszkody na drodze, które zmuszają go do gwałtownego hamowania. Po zahamowaniu pojazd przez krótki czas wpada w poślizg, aż do zatrzymania. Jeżeli współczynnik tarcia między oponami a drogą wynosi 0,7; określić co następuje:

1. Jaka jest wartość tarcia podczas poślizgu pojazdu?
2. Spowolnienie pojazdu
3. Odległość przebyta przez pojazd od momentu zahamowania do zatrzymania.

Siła tarcia pojazdu w poślizgu wynosi:

= 10290 nowy

Sekcja B.

Siła tarcia wpływa na spowolnienie pojazdu podczas poślizgu.

Stosując drugą zasadę Newtona wartość opóźnienia uzyskuje się rozwiązując równanie F = ma

Sekcja C.

Prędkość początkowa pojazdu to v ₀ = 70 km / h = 19,44 m / s

Kiedy pojazd się zatrzymuje, jego prędkość końcowa wynosi v _f = 0, a opóźnienie a = - 6,86 m / s ²

Odległość przebytą przez pojazd, od momentu zahamowania do zatrzymania, oblicza się rozwiązując d z następującego równania:

Pojazd pokonuje odległość 27,54 m przed zatrzymaniem.

1. Obliczenia współczynnika tarcia w warunkach kontaktu sprężystego. Mikhin, N. M. 2, 1968, Soviet Materials Science, tom 4, str. 149-152.
2. Blau, P J. Friction Science and Technology. Floryda, USA: CRC Press, 2009.
3. Zależność między siłami przyczepności i tarcia. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung and Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, tom 8, str. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force and Motion. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Zasady i zastosowania trybologii. Nowy Jork: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, CS i Purohit, K. Teoria mechanizmów i maszyn. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.