FRIKTION: TYPER, KOEFFICIENT, BEREGNING, ØVELSER - FYSISK - 2025

Den friktion er modstand mod bevægelse af en overflade er i kontakt med en anden. Det er et overfladefænomen, der opstår mellem faste, flydende og luftformige materialer. Modstandskraften tangentiel til to overflader i kontakt, der modsætter sig retningen for den relative forskydning mellem nævnte overflader, kaldes også friktionskraften eller friktionskraften F _r.

For at fortrænge et fast legeme på en overflade skal der påføres en ydre kraft, der kan overvinde friktion. Når kroppen bevæger sig, virker friktionskraften på kroppen, bremser den ned og kan endda stoppe den.

Friktion

Friktionskraften kan repræsenteres grafisk ved hjælp af kraftdiagrammet for et legeme i kontakt med en overflade. I dette diagram trækkes friktionskraften F _r imod komponenten af ​​den kraft, der påføres kroppen, tangentiel til overfladen.

Kontaktoverfladen udøver en reaktionskraft på kroppen kaldet normalkraft N. I nogle tilfælde skyldes den normale kraft kun vægten P af kroppen, der hviler på overfladen, og i andre tilfælde skyldes den andre påførte kræfter end tyngdekraften.

Friktion opstår, fordi der er mikroskopiske ujævnheder mellem overfladerne i kontakt. Når man prøver at bevæge den ene overflade over den anden, opstår der friktion mellem ujævnhederne, der forhindrer fri bevægelse ved grænsefladen. Til gengæld forekommer energitab i form af varme, der ikke bruges til at bevæge kroppen.

Typer af friktion

Der er to hovedtyper af friktion: Coulomb-friktion eller tør friktion og fluidfriktion.

-Coulomb-friktion

Coulomb-friktion imod altid bevægelse af legemer og er opdelt i to typer friktion: statisk friktion og kinetisk (eller dynamisk) friktion.

Ved statisk friktion er der ingen bevægelse af kroppen på overfladen. Den anvendte kraft er meget lav og ikke nok til at overvinde friktionskraften. Friktion har en maksimal værdi, der er proportional med den normale kraft og kaldes den statiske friktionskraft F _re.

Den statiske friktionskraft defineres som den maksimale kraft, der modstår begyndelsen af ​​kroppens bevægelse. Når den anvendte kraft overstiger den statiske friktionskraft, forbliver den på sin maksimale værdi.

Kinetisk friktion virker, når kroppen allerede er i bevægelse. Den kraft, der kræves for at bevare kroppen med friktion, kaldes den kinetiske friktionskraft F _rc.

Den kinetiske friktionskraft er mindre end eller lig med den statiske friktionskraft, fordi når kroppen først begynder at bevæge sig, er det lettere at fortsætte bevægelsen end at prøve at gøre det, mens han er i ro.

Coulombs lov om friktion

1. Friktionskraften er direkte proportional med den kraft, der er normal for kontaktoverfladen. Proportionalitetskonstanten er friktionskoefficienten μ, der findes mellem overfladerne i kontakt.
2. Friktionskraften er uafhængig af størrelsen på det tilsyneladende kontaktområde mellem overfladerne.
3. Den kinetiske friktionskraft er uafhængig af kroppens glidehastighed.

-Fluid friktion

Friktion opstår også, når legemer bevæger sig i kontakt med flydende eller gasformige materialer. Denne type friktion kaldes fluidfriktion og defineres som modstanden mod bevægelse af legemer i kontakt med en væske.

Fluidfriktion refererer også til en væskes modstand mod at strømme i kontakt med fluidlag af det samme eller et andet materiale og er afhængig af fluidens hastighed og viskositet. Viskositet er målet for modstand mod bevægelse af en væske.

-Stokes friktion

Stokes friktion er en type fluidfriktion, hvor kugleformede partikler nedsænket i en viskøs væske i laminær strøm oplever en friktionskraft, der bremser deres bevægelse på grund af svingninger i væskens molekyler.

Stokes friktion

Strømningen er laminær, når de viskose kræfter, der modsætter sig bevægelsen af ​​væsken, er større end inertialkræfterne, og fluidet bevæger sig med tilstrækkelig lille hastighed og i en retlinet bane.

Friktionskoefficienter

I henhold til Coulombs første friktionslov opnås friktionskoefficienten μ fra forholdet mellem friktionskraften og kraften, der er normal til kontaktfladen.

Koefficienten μ er en dimensionløs mængde, da det er et forhold mellem to kræfter, der afhænger af arten og behandlingen af ​​materialerne i kontakt. Generelt er værdien af ​​friktionskoefficienten mellem 0 og 1.

Statisk friktionskoefficient

Den statiske friktionskoefficient er den proportionalitetskonstant, der findes mellem den kraft, der forhindrer bevægelse af et legeme i en hviletilstand på en kontaktflade og den kraft, der er normal til overfladen.

Kinetisk friktionskoefficient

Den kinetiske friktionskoefficient er den proportionalitetskonstant, der findes mellem den kraft, der begrænser bevægelsen af ​​et legeme, der bevæger sig på en overflade, og kraften, der er normal til overfladen.

Statisk friktionskoefficient er større end kinetisk friktionskoefficient.

Elastisk friktionskoefficient

Den elastiske friktionskoefficient er afledt af friktionen mellem kontaktflader af elastiske, bløde eller ru materialer, der deformeres af påførte kræfter. Friktion modsætter sig den relative bevægelse mellem to elastiske overflader, og forskydningen ledsages af en elastisk deformation af materialets overfladelag.

Friktionskoefficienten opnået under disse betingelser afhænger af graden af ​​overfladefremhed, de fysiske egenskaber af materialerne i kontakt og størrelsen af ​​tangentialkomponenten af ​​forskydningskraften ved grænsefladen mellem materialerne.

Molekylær friktionskoefficient

Den molekylære friktionskoefficient opnås fra den kraft, der begrænser bevægelsen af ​​en partikel, der glider på en glat overflade eller gennem en væske.

Hvordan beregnes friktion?

Friktionskraften på faste grænseflader beregnes ved hjælp af ligningen F _r = μN

Ved at udskifte vægtligningen i friktionskraftligningen giver:

Egenskaber ved det normale

Når en genstand er i ro på en plan overflade, er den normale kraft den, der udøves af overfladen på kroppen, og den modsætter sig kraften på grund af tyngdekraften i henhold til Newtons lov om handling og reaktion.

Normalkraften virker altid vinkelret på overfladen. På en skråt overflade falder det normale, når den magre vinkel stiger og peger i en vinkelret retning væk fra overfladen, mens vægten peger lodret nedad. Ligningen af ​​den normale kraft på en skråt overflade er:

θ = hældningsvinklen på kontaktfladen.

Skråplanet friktion

Komponenten i den kraft, der virker på kroppen for at skubbe den, er:

Når den anvendte kraft øges nærmer den sig maksimalværdien af ​​friktionskraften, denne værdi er den, der svarer til den statiske friktionskraft. Når F = F _re, er den statiske friktionskraft:

Og den statiske friktionskoefficient opnås ved tangenten af ​​hellingsvinklen θ.

Løst øvelser

-Friktionskraft for et objekt, der hviler på en vandret overflade

En 15 kg-kasse placeret på en vandret overflade skubbes af en person, der udøver en kraft på 50 Newton langs en overflade for at få den til at bevæge sig og derefter anvender en kraft på 25 N for at holde kassen i konstant hastighed. Bestemm koefficienterne for statisk og kinetisk friktion.

Boks bevæger sig på vandret overflade

Løsning: Med værdien af ​​den kraft, der anvendes til at flytte kassen, _opnås koefficienten for statisk friktion μ _e.

Normalkraften N til overfladen er lig med kassens vægt, så N = mg

I dette tilfælde er μ _e = 50New / 147New

Kraften, der anvendes for at holde kassens hastighed konstant, er den kinetiske friktionskraft, der er lig med 25New.

Den kinetiske friktionskoefficient opnås med ligningen μ _c = F _rc / N

-Friktionskraft for et objekt under handlingen af ​​en kraft med en hældningsvinkel

En mand udøver en kraft på en 20 kg boks med en anvendelsesvinkel på 30 ° i forhold til den overflade, hvor den hviler. Hvad er størrelsen på den kraft, der anvendes til at bevæge kassen, hvis friktionskoefficienten mellem kassen og overfladen er 0,5?

Løsning: Frigivelsesdiagrammet repræsenterer den anvendte kraft og dens lodrette og vandrette komponenter.

Diagram med fri krop

Den påførte kraft skaber en vinkel på 30 ° med den vandrette overflade. Den lodrette komponent af kraften føjer til den normale kraft, der påvirker kraften i statisk friktion. Kassen bevæger sig, når den horisontale komponent af den påførte kraft overskrider den maksimale værdi af friktionskraften F _re. Ved at sidestille den horisontale komponent af kraften med den af ​​statisk friktion giver:

Normal styrke

Den normale kraft er ikke længere kroppens vægt på grund af kraftens lodrette komponent.

I henhold til Newtons anden lov er summen af ​​de kræfter, der virker på kassen på den lodrette akse, nul, derfor er den lodrette komponent af acceleration en _y = 0. Den normale kraft opnås fra summen

Ved at erstatte ligningen i ligningen opnås følgende:

-Fiktion i et bevægeligt køretøj

Et 1,5 ton køretøj kører på en lige og vandret vej med en hastighed på 70 km / t. Føreren ser forhindringer på vejen i en bestemt afstand, der tvinger ham til at bremse skarpt. Efter bremsning glider køretøjet i kort tid, indtil det standser. Hvis friktionskoefficienten mellem dækkene og vejen er 0,7; bestem følgende:

1. Hvad er friktionsværdien, mens køretøjet glider?
2. Køretøjets deceleration
3. Køretøjets afstand, fra det bremser til, når det stopper.

Køretøjets friktionskraft, når det glider, er:

= 10290 Ny

Afsnit b

Friktionskraften påvirker køretøjets afmatning, når det glider.

Ved at anvende Newtons anden lov opnås værdien af ​​decelerationen ved at løse for ligningen F = ma

Afsnit c

Køretøjets oprindelige hastighed er v ₀ = 70 km / t = 19,44 m / s

Når køretøjet standser, er dens endelige hastighed v _f = 0, og decelerationen er a = - 6,86m / s ²

Afstanden kørt af køretøjet, fra når det bremser til, når det stopper, opnås ved at løse for d fra følgende ligning:

Køretøjet kører 27,54m afstand inden stop.

1. Beregninger af friktionskoefficienten under elastiske kontaktbetingelser. Mikhin, N M. 2, 1968, Soviet Materials Science, bind 4, pp. 149-152.
2. Blau, P J. Friction Science and Technology. Florida, USA: CRC Press, 2009.
3. Forholdet mellem vedhæftning og friktionskræfter. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung og Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, bind 8, pp. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force and Motion. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Principper og anvendelser af tribologi. New York: John Wiley og sønner, 1999.
6. Sharma, CS og Purohit, K. Teori om mekanismer og maskiner. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.