Friksjonstyper, koeffisient, beregning, øvelser

De friksjon Det er motstanden mot forskyvningen av en overflate mens du er i kontakt med en annen. Det er et overfladisk fenomen som oppstår mellom faste, flytende og gassformige materialer. Den tangensielle motstandskraften til to overflater i kontakt, som motsetter retning av relativ forskyvning mellom disse overflatene, kalles også friksjonskraft eller friksjonskraft F_r.

For å fortrenge en solid kropp på en overflate, må en ekstern kraft påføres som kan overvinne friksjon. Når kroppen beveger seg, virker friksjonskraften på kroppen som reduserer hastigheten, og kan til og med stoppe den.

Friksjon [av Keta, Pietter Kuiper (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: friksjon.Svg)]

Friksjonskraften kan bli representert grafisk ved hjelp av kreftens diagram over et legeme i kontakt med en overflate. I dette diagrammet er friksjonskraften F_r Det trekkes av komponenten av kraften som påføres tangensiell kropp på overflaten.

Kontaktoverflaten utøver en reaksjonskraft på kroppen som kalles normal kraft N. I noen tilfeller skyldes normalkraften bare vekt P av kroppen som hviler på overflaten, og i andre tilfeller skyldes det krefter som brukes annet enn tyngdekraften.

Friksjon har sin opprinnelse fordi det er mikroskopiske rugoer mellom overflater i kontakt. Når du prøver å flytte den ene overflaten på den andre. På sin side produseres energitap.

[TOC]

Typer friksjon

Det er to hovedtyper av friksjon: friksjonen av Coulomb o tørr friksjon og væskefriksjon.

-Coulomb friksjon

Friksjonen av Coulomb Det motsetter seg alltid bevegelsen av kropper og er delt inn i to typer friksjon: statisk friksjon og kinetisk (eller dynamisk) friksjon.

I statisk friksjon er det ingen kroppsbevegelse på overflaten. Den påførte kraften er veldig lav og er ikke nok til å overvinne friksjonskraften. Friksjon har en maksimal verdi som er proporsjonal med normal kraft og kalles statisk friksjonskraft F_re.

Den statiske friksjonskraften er definert som den maksimale kraften som motstår i begynnelsen av kroppsbevegelsen. Når den anvendte kraften overstiger den statiske friksjonskraften, forblir den med sin maksimale verdi.

Kinetisk friksjon virker når kroppen er i bevegelse. Kraften som kreves for å holde kroppen med friksjon kalles kinetisk friksjonskraft F_Rc.

Den kinetiske friksjonskraften er mindre enn eller lik den statiske friksjonskraften fordi når kroppen begynner å bevege seg er det lettere å fortsette å bevege den enn å prøve å gjøre det mens du er i ro.

Coulomb friksjonslover

1. Friksjonskraften er direkte proporsjonal med normalkraften til kontaktflaten. Proporsjonalitetskonstanten er friksjonskoeffisienten μ som eksisterer mellom overflatene i kontakt.
2. Friksjonskraften er uavhengig av størrelsen på det tilsynelatende kontaktområdet mellom overflatene.
3. Den kinetiske friksjonskraften er uavhengig av glidehastigheten.

-Væskefriksjon

Friksjon oppstår også når kroppene beveger seg i kontakt med væske eller gassformige materialer. Denne typen friksjon kalles væskefriksjon og er definert som motstand mot bevegelse av kropper i kontakt med en væske.

Det kan tjene deg: enkle fysikkeksperimenter (primær-universitet)

Fluidfriksjon refererer også til motstanden til en væske til å strømme i kontakt med væskelag med samme materiale eller et annet, og avhenger av hastigheten og viskositeten til væsken. Viskositet er målet på motstand mot bevegelse av en væske.

-Stokes friksjon

Stokes -friksjon er en type væskefriksjon der sfæriske partikler fordypet i en tyktflytende væske, i laminær strømning, opplever en friksjonskraft som bremser bevegelsen på grunn av svingningene i fluidmolekylene.

Stokes Friction [av Kraaiennest (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: stokes_sphere.Svg)]

Flyt.

Friksjonskoeffisienter

I henhold til den første loven om friksjon av Coulomb Friksjonskoeffisienten μ Det oppnås fra forholdet mellom friksjonskraft og normal kraft til kontaktflaten.

μ = f_r/N

Koeffisienten μ Det er en dimensjonsløs mengde, fordi det er et forhold mellom to krefter, som avhenger av arten og behandlingen av materialer i kontakt. Generelt er verdien av friksjonskoeffisienten mellom 0 og 1.

Statisk friksjonskoeffisient

Den statiske friksjonskoeffisienten er konstanten av proporsjonalitet som eksisterer mellom kraften som forhindrer bevegelse av et legeme i en kontakttilstand på en kontaktflate og normalkraft til overflaten.

μ_og= F_re/N

Kinetisk friksjonskoeffisient

Den kinetiske friksjonskoeffisienten er proporsjonalitetskonstanten som eksisterer mellom kraften som begrenser bevegelsen av et legeme som beveger seg på en overflate og normalkraften til overflaten.

μ_c= F_Rc/N

Den statiske friksjonskoeffisienten er større enn den kinetiske friksjonskoeffisienten.

μ_s> μ_c

Elastisk friksjonskoeffisient

Den elastiske friksjonskoeffisienten stammer fra friksjonen mellom kontaktflater av elastiske, myke eller grove materialer som er deformert av de påførte kreftene. Friksjon motsetter seg den relative bevegelsen mellom to elastiske overflater, og forskyvningen er ledsaget av en elastisk deformasjon av overflatelagene til materialet.

Friksjonskoeffisienten oppnådd under disse forholdene avhenger av graden av overflateuhet, av de fysiske egenskapene til kontaktmaterialer og størrelsen på den tangensielle komponenten i hørerkraften i materialgrensesnittet.

Molekylær friksjonskoeffisient

Koeffisienten for molekylær friksjon oppnås fra kraften som begrenser bevegelsen av en partikkel som glir på en myk overflate eller gjennom en væske.

Hvordan beregnes friksjon?

Friksjonskraften i faste grensesnitt beregnes ved å bruke ligningen F_r = μn

N Det er normalkraften og μ Det er friksjonskoeffisienten.

I noen tilfeller er normalkraften lik vekten av kroppen P. Vekten oppnås ved å multiplisere massen m av kroppen på grunn av akselerasjonen av tyngdekraften g.

P= mg

Ved å erstatte vektligningen i friksjonskraftligningen, oppnås den:

Det kan tjene deg: Gjennomsnittlig akselerasjon: Hvordan den beregnes og løses

F_r = μmg

Normale egenskaper

Når et objekt er i ro på en flat overflate, er normalkraften den som utøver overflaten på kroppen, og motsetter seg kraften på grunn av tyngdekraften, i henhold til Newtons lov om handling og reaksjon.

Normal kraft virker alltid vinkelrett på overflaten. På en skrå overflate avtar normalen når hellingsvinkelen øker og peker i vinkelrett retning bort fra overflaten, mens vektpunktene vertikalt ned. Normalkraftligningen på en skrå overflate er:

N = mgcosθ

θ = hellingsvinkelen på kontaktflaten.

Friksjon i skråplan [av Mets501 (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: free_body.Svg)]

Komponenten av kraften som virker på kroppen for å gli den er:

F = mgsenθ

Når den anvendte kraften øker til maksimumsverdien av friksjonskraften, tilsvarer denne verdien den statiske friksjonskraften. Når  F = f_re, Den statiske friksjonskraften er:

F_re= mgsenθ

Og den statiske friksjonskoeffisienten oppnås ved tangent av hellingsvinkelen θ.

μ_og = tanθ

Løste øvelser

-Friksjonskraft av et objekt som hviler på en horisontal overflate

En 15 kg boks plassert på en horisontal overflate skyves av en person som bruker en styrke på 50 Newton langs en overflate for å bevege seg og deretter påføre en 25 N -kraft for å holde boksen i bevegelse med en konstant hastighet. Bestem statiske og kinetiske friksjonskoeffisienter.

Boks som beveger seg på horisontal overflate

Løsning: Med verdien av den anvendte kraften for å flytte boksen, oppnås den statiske friksjonskoeffisienten μ_og.

μ_og= F_re/N

Normalkraften N til overflaten er lik vekten på boksen, så N = m.g

N = 15 kgx9,8m/s²

N = 147New

I dette tilfellet, μ_og= 50New/147New

μ_og= 0,34

Den påførte kraften for å opprettholde hastigheten på konstant boksen er den kinetiske friksjonskraften som er lik 25NEW.

Den kinetiske friksjonskoeffisienten oppnås med ligningen μ_c= F_Rc /N

μ_c= 25New/147New

μ_c= 0,17

-Friksjonskraft av et objekt under handling av en kraft med en hellingsvinkel

En mann bruker en styrke på en 20 kg boks, med en påføringsvinkel på 30 ° i forhold til overflaten der han hviler. Hva er størrelsen på den påførte kraften til å flytte boksen hvis friksjonskoeffisienten mellom boksen og overflaten er 0,5?

Løsning: Den påførte kraften og dens vertikale og horisontale komponenter er representert i det frie kroppsskjemaet.

Free-kroppsdiagram

Den påførte kraften danner en vinkel på 30 ° med den horisontale overflaten. Den vertikale komponenten i styrken gir normalkraften som påvirker den statiske friksjonskraften. Boksen beveger seg når den horisontale komponenten i den påførte kraften overstiger den maksimale verdien av friksjonskraft F_re. Ved å matche den horisontale komponenten i kraften med den for statisk friksjon, oppnås den:

F_re = Fcosθ                       [1]

F_re= μ_og.N                          [2]

Det kan tjene deg: Rutherford Atomic Model: History, Eksperimenter, Postulates

μ_og.N = fcosθ                      [3]

normal styrke

Normal kraft er ikke lenger vekten av kroppen på grunn av den vertikale kraftkomponenten.

I henhold til Newtons andre lov er summen av kreftene som virker på boksen på den vertikale aksen ugyldig, derfor er den vertikale komponenten i akselerasjonen til_og= 0. Normal kraft oppnås fra sum

F Sen30 ° + n - p = 0                      [4]

P = m.g                                        [5]

F snn 30 ° + n - m.G = 0                [6]

N = m.G - f sen 30 °                      [7]

Ved erstatning av ligning [7] i ligning [3] oppnås følgende:

μ_og. (m.G - f sin 30 °) = fcos30 °     [8]

Det rydder F Fra ligning [8] og oppnådd:

F = μ_og . m.G /(cos 30 ° + μ_og sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m/s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5New

-Friksjon i et kjøretøy i bevegelse

Et kjøretøy på 1,5 tonn beveger seg på en rettlinjet og horisontal vei med en hastighet på 70 km/t. Sjåføren visualiserer, på en viss avstand, hindringer på veien som tvinger ham til å stoppe skarpt. Etter å ha stoppet skøytekjøretøyet i en kort periode til det stopper. Hvis friksjonskoeffisienten mellom dekkene og veien er 0,7; Bestem følgende:

1. Hva er verdien av friksjon mens patina -kjøretøyet?
2. Retardasjon av kjøretøy
3. Avstanden som kjøres av kjøretøyet fra stopp til det stopper.

Løsning:

Avsnitt a

Det frie kroppsdiagrammet viser kreftene som virker på kjøretøyet når du skater.

Krefter som virker i et kjøretøy i bevegelse

Fordi summen av kreftene som virker i den vertikale aksen er null, er normalkraften lik vekten på kjøretøyet.

N = m.g

M = 1,5 tonn = 1500 kg

N = 1500 kgx9,8m/s²= 14700New

Kjøretøyets friksjonskraft når skøyting er:

F_r = μn = 0,7x14700New

= 10290 Ny

Avsnitt b

Friksjonskraften påvirker reduksjonen i kjøretøyets hastighet når du skater.

Når du bruker Newtons andre lov, oppnås verdien av retardasjonen ved å tømme ligningen F = m.til

A = f/m

a = (-10290 nytt)/ 1500 kg

= -6,86m/s²

Avsnitt C

Den første kjøretøyets hastighet er v₀ = 70 km/h = 19,44m/s

Når kjøretøyet stopper sin endelige hastighet er det v_F = 0 Og retardasjonen er a = -6.86m/s²

Avstanden som kjøres av kjøretøyet, siden den stopper til den stopper, oppnås ved å rydde d av følgende ligning:

v_F² = v₀²+2AD

D = (v_F² - v₀²)/2A

= ((0)²-(19,44m/s)²)/(2x (-6.86m/s²)

D = 27,54m

Kjøretøyet reiser 27,54m Avstand før stopper.

 Referanser

1. Beregninger av friksjonskoeffisienten under elastiske kontaktforhold. Mikhin, n m. 2, 1968, Soviet Materials Science, Vol. 4, s. 149-152.
2. Blau, P J. Friction Science and Technology. Florida, USA: CRC Press, 2009.
3. Forholdet mellom vedheft og friksjonskrefter. Isralachvili, J N, Chen, You-Lung og Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8 poeng. 1231-1249.
4. Zimba, J. Kraft og bevegelse. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, f. Prinsipper og anvendelser av tribologi. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, C S og Purohit, K. Teori om mekanismer og maskiner. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.