Sürtünme kuvveti, vücudun herhangi bir hareketini engelleyen fiziksel bir niceliktir. Kural olarak, cisimler katı, sıvı ve gaz halinde hareket ettiğinde ortaya çıkar. Çeşitli sürtünme kuvvetleri vücutların hızının aşırı artmasını engellediği için insan hayatında önemli bir rol oynar.
Sürtünme kuvvetlerinin sınıflandırılması
Genel durumda, tüm sürtünme kuvvetleri üç tiple tanımlanır: kayma, yuvarlanma ve durma sürtünme kuvveti. Birincisi statik, diğer ikisi dinamiktir. Dinlenme durumundaki sürtünme, cismin hareket etmeye başlamasını engeller, buna karşılık kayarken, vücut hareketi sırasında başka bir cismin yüzeyine sürtündüğünde sürtünme oluşur. Yuvarlanma sürtünmesi, yuvarlak bir nesne hareket ettiğinde meydana gelir. Bir örnek alalım. Türün (yuvarlanma sürtünme kuvveti) çarpıcı bir örneği, araba tekerleklerinin asf alt üzerindeki hareketidir.
Sürtünme kuvvetlerinin doğası, iki cismin sürtünme yüzeyleri arasındaki mikroskobik kusurların varlığıdır. Bu nedenle ortaya çıkan kuvvet,hareket eden veya hareket etmeye başlayan bir nesne, temas eden cisimlerin yüzeyine dik yönlendirilen N desteğinin normal tepki kuvvetinin ve sürtünme kuvvetinin F toplamından oluşur. İkincisi, yüzeye paralel yönlendirilir. temas yüzeyi ve vücudun hareketine zıttır.
İki katı arasındaki sürtünme
Farklı türdeki sürtünme kuvvetleri konusu ele alındığında, iki katı cisim için aşağıdaki modeller gözlendi:
- Sürtünme kuvveti destek yüzeyine paralel yönlendirilir.
- Sürtünme katsayısı, temas eden yüzeylerin doğasına ve durumlarına bağlıdır.
- Maksimum sürtünme kuvveti, temas yüzeyleri arasında etki eden normal kuvvet veya destek reaksiyonuyla doğru orantılıdır.
- Aynı cisimler için, vücut hareket etmeye başlamadan önce sürtünme kuvveti daha büyüktür ve daha sonra vücut hareket etmeye başladığında azalır.
- Sürtünme katsayısı temas alanına bağlı değildir ve pratik olarak kayma hızına bağlı değildir.
Yasalar
Deneysel materyali hareket yasalarıyla özetleyerek, sürtünmeyle ilgili aşağıdaki temel yasaları oluşturduk:
- İki cisim arasında kaymaya karşı direnç, aralarında etki eden normal kuvvetle orantılıdır.
- Sürtünen cisimler arasındaki harekete direnç, aralarındaki temas alanına bağlı değildir.
İkinci yasayı göstermek için şu örneği verebiliriz: Bir bloğu alıp yüzeyde kaydırarak hareket ettirirseniz, o zaman böyle bir hareket için gerekli kuvvetblok uzun kenarı ile yüzeyde yattığında ve ucu ile durduğunda aynı olacaktır.
Fizikteki çeşitli sürtünme kuvvetleri türleriyle ilgili yasalar, 15. yüzyılın sonunda Leonard da Vinci tarafından keşfedildi. Sonra uzun süre unutuldular ve sadece 1699'da Fransız mühendis Amonton tarafından yeniden keşfedildiler. O zamandan beri, sürtünme yasaları onun adını taşıyor.
Sürtünme kuvveti neden hareketsiz halde kaymanınkinden daha büyük?
Birkaç tür sürtünme kuvveti (dinlenme ve kayma) göz önüne alındığında, statik sürtünme kuvvetinin her zaman statik sürtünme katsayısı ve desteğin tepki kuvvetinin ürününden küçük veya ona eşit olduğuna dikkat edilmelidir. Bu sürtünme malzemeleri için sürtünme katsayısı deneysel olarak belirlenir ve uygun tablolara girilir.
Dinamik kuvvet, statik kuvvetle aynı şekilde hesaplanır. Sadece bu durumda, sürtünme katsayısı özellikle kayma için kullanılır. Sürtünme katsayısı genellikle Yunanca Μ (mu) harfi ile gösterilir. Böylece, her iki sürtünme kuvveti için genel formül: Ftr=ΜN'dir, burada N, destek tepki kuvvetidir.
Bu tür sürtünme kuvvetleri arasındaki farkın doğası tam olarak belirlenmemiştir. Bununla birlikte, bilim adamlarının çoğu, statik sürtünme kuvvetinin kayma için olandan daha büyük olduğuna inanmaktadır, çünkü cisimler bir süre birbirine göre hareketsiz olduklarında, yüzeylerin ayrı noktalarının iyonik bağları veya mikrofüzyonları yüzeyleri arasında oluşabilir. Bu faktörler statik bir artışa neden olurgösterge.
Sürtünme kuvvetinin çeşitli türlerine ve bunların tezahürlerine bir örnek, motor uzun süre çalışmıyorsa silindire "lehimlenen" bir araba motorunun silindirindeki pistondur.
Yatay kayar gövde
Harici bir Fin kuvvetinin etkisi altında, yüzey boyunca kayarak hareket etmeye başlayan bir cismin hareket denklemini elde edelim. Bu durumda cisme şu kuvvetler etki eder:
- Fv – dış kuvvet;
- Ftr – Fv;
- N, P gövdesinin ağırlığına mutlak değerde eşit olan ve yüzeye, yani yüzeye dik açıyla yönlendirilen desteğin tepki kuvvetidir.
kuvvetinin tersi olan sürtünme kuvveti
Tüm kuvvetlerin yönlerini dikkate alarak, bu hareket durumu için Newton'un ikinci yasasını yazıyoruz: Fv - Ftr=ma, burada m - vücut kütlesi, a - hareketin hızlanması. G'nin serbest düşüş ivmesi olduğu Ftr=ΜN, N=P=mg olduğunu bilerek, şunu elde ederiz: Fv – Μmg=mbir. Kayan cismin hareket ettiği ivmeyi ifade ederek: a=F in / m – Μg.
Sıvı içinde katı bir cismin hareketi
Ne tür sürtünme kuvvetlerinin var olduğunu düşünürken, fizikte önemli bir fenomenden, katı bir cismin sıvı içinde nasıl hareket ettiğinin açıklamasından bahsetmek gerekir. Bu durumda, sıvı içindeki vücudun hızına bağlı olarak belirlenen aerodinamik sürtünmeden bahsediyoruz. İki tür hareket vardır:
- Ne zamankatı bir cisim düşük hızda hareket ediyor, laminer hareketten söz ediliyor. Laminer harekette sürtünme kuvveti hız ile orantılıdır. Bir örnek, küresel cisimler için Stokes yasasıdır.
- Bir akışkan içindeki bir cismin hareketi belirli bir eşik değerinden daha yüksek bir hızda gerçekleştiğinde, akışkan akışlarından gelen girdaplar cismin etrafında oluşmaya başlar. Bu girdaplar hareketi engelleyen ek bir kuvvet oluşturur ve sonuç olarak sürtünme kuvveti hızın karesiyle orantılıdır.
Yuvarlanan sürtünme kuvvetinin doğası
Sürtünme kuvvetlerinin türleri hakkında konuşurken, yuvarlanma sürtünme kuvvetine üçüncü tip denir. Bir cismin belirli bir yüzey üzerinde yuvarlanması ve bu cismin deformasyonu ve yüzeyin kendisi meydana geldiğinde kendini gösterir. Yani, kesinlikle deforme olmayan bir gövde ve yüzey durumunda, yuvarlanma sürtünme kuvveti hakkında konuşmanın bir anlamı yoktur. Daha yakından bakalım.
Yuvarlanma sürtünme katsayısı kavramı kaymaya benzer. Yuvarlanma sırasında cisimlerin yüzeyleri arasında kayma olmadığından yuvarlanma sürtünme katsayısı kaymaya göre çok daha azdır.
Katsayıyı etkileyen ana faktör, yuvarlanma sürtünme kuvvetinin türü için mekanik enerjinin histerezisidir. Özellikle tekerlek, yapıldığı malzemeye ve taşıdığı yüke bağlı olarak hareket sırasında elastik olarak deforme olur. Tekrarlayan elastik deformasyon döngüleri, mekanik enerjinin bir kısmının termal enerjiye aktarılmasına yol açar. Ayrıca, nedeniylehasar, tekerlek ve yüzeyin teması zaten sınırlı bir temas alanına sahiptir.
yuvarlanma sürtünme kuvveti formülü
Tekerleği döndüren kuvvet momenti ifadesini uygularsak, yuvarlanan sürtünme kuvvetinin Ftr.k.=Μ olduğunu elde edebiliriz. k N / R, burada N, desteğin tepkisidir, R, tekerleğin yarıçapıdır, Μк – yuvarlanma sürtünme katsayısıdır. Bu nedenle, yuvarlanma sürtünme kuvveti yarıçapla ters orantılıdır, bu da büyük tekerleklerin küçük tekerleklere göre avantajını açıklar.
Bu kuvvetin tekerleğin yarıçapıyla ters orantılı olması, aynı kütleye sahip ve aynı malzemeden yapılmış farklı yarıçaplara sahip iki tekerlek olması durumunda, daha büyük yarıçaplı tekerleğin daha kolay olduğunu gösterir. bütçe.
Yuvarlanma oranı
Bu tür bir sürtünme kuvveti formülüne göre, yuvarlanma sürtünme katsayısının Μk uzunluk boyutuna sahip olduğunu elde ederiz. Esas olarak temas eden organların doğasına bağlıdır. Yuvarlanma sürtünme katsayısının yarıçapa oranıyla belirlenen değere yuvarlanma katsayısı denir, yani Ck=Μk / R boyutsuz bir niceliktir.
Yuvarlanma katsayısı Ck kayma sürtünmesi katsayısından Μtr önemli ölçüde düşüktür. Bu nedenle hangi tür sürtünme kuvveti en küçüktür sorusuna cevap verirken güvenle yuvarlanma sürtünme kuvveti diyebiliriz. Bu gerçek sayesinde tekerleğin icadı, teknolojik ilerlemede önemli bir adım olarak kabul edilir.insanlık.
Yuvarlanma oranı sisteme özeldir ve aşağıdaki faktörlere bağlıdır:
- tekerleğin ve yüzeyin sertliği (hareket sırasında meydana gelen cisimlerin deformasyonu ne kadar küçük olursa, yuvarlanma katsayısı o kadar düşük olur);
- tekerlek yarıçapı;
- tekerleğe etki eden ağırlık;
- temas yüzey alanı ve şekli;
- tekerlek ve yüzey arasındaki temas alanındaki viskozite;
- vücut ısısı
