Her öğrenci, iki katı yüzey arasında temas olduğunda, sözde sürtünme kuvvetinin ortaya çıktığını bilir. Bu yazıda sürtünme kuvvetinin uygulama noktasına odaklanarak ne olduğunu ele alalım.
Ne tür sürtünme kuvveti vardır?
Sürtünme kuvvetinin uygulama noktasını ele almadan önce, doğada ve teknolojide ne tür sürtünmelerin bulunduğunu kısaca hatırlamak gerekir.
Statik sürtünmeyi düşünmeye başlayalım. Bu tip, bir yüzey üzerinde duran katı bir cismin durumunu karakterize eder. Dinlenme sürtünmesi, vücudun dinlenme durumundan herhangi bir şekilde yer değiştirmesini önler. Örneğin, tam da bu kuvvetin etkisinden dolayı, yerde duran bir dolabı hareket ettirmek bizim için zordur.
Kayma sürtünmesi başka bir sürtünme türüdür. Birbiri üzerinde kayan iki yüzeyin temas etmesi durumunda kendini gösterir. Sürtünme sürtünmesi harekete karşıdır (sürtünme kuvvetinin yönü cismin hızının tersidir). Hareketinin çarpıcı bir örneği, kar üzerinde buz üzerinde kayan bir kayakçı veya patencidir.
Son olarak, üçüncü tür sürtünme yuvarlanmadır. Bir vücut diğerinin yüzeyinde yuvarlandığında her zaman var olur. Örneğin, bir tekerleğin veya rulmanların yuvarlanması, yuvarlanma sürtünmesinin önemli olduğu başlıca örneklerdir.
Tanımlanan tiplerden ilk ikisi, sürtünme yüzeylerindeki pürüzlülük nedeniyle ortaya çıkar. Üçüncü tip, yuvarlanan gövdenin deformasyon histerezisi nedeniyle ortaya çıkar.
Kayma ve hareketsiz sürtünme kuvvetlerinin uygulama noktaları
Yukarıda statik sürtünmenin, nesneyi temas yüzeyi boyunca hareket ettirme eğiliminde olan dış etkili kuvveti engellediği söylenmişti. Bu, sürtünme kuvvetinin yönünün, yüzeye paralel olan dış kuvvetin yönünün tersi olduğu anlamına gelir. Göz önünde bulundurulan sürtünme kuvvetinin uygulama noktası, iki yüzey arasındaki temas alanıdır.
Statik sürtünme kuvvetinin sabit bir değer olmadığını anlamak önemlidir. Aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanan bir maksimum değere sahiptir:
Ft=µtN.
Ancak bu maksimum değer yalnızca vücut hareket etmeye başladığında görünür. Başka bir durumda, statik sürtünme kuvveti, dış kuvvetin paralel yüzeyine mutlak değer olarak tam olarak eşittir.
Kayma sürtünme kuvvetinin uygulama noktasına gelince, statik sürtünmeden farklı değildir. Statik ve kayma sürtünmesi arasındaki farktan bahsederken, bu kuvvetlerin mutlak önemi not edilmelidir. Bu nedenle, belirli bir malzeme çifti için kayma sürtünme kuvveti sabit bir değerdir. Ayrıca, statik sürtünmenin maksimum kuvvetinden her zaman daha azdır.
Gördüğünüz gibi sürtünme kuvvetlerinin uygulama noktası cismin ağırlık merkezi ile örtüşmemektedir. Bu, söz konusu kuvvetlerin, kayan gövdeyi öne doğru devirme eğiliminde olan bir moment yarattığı anlamına gelir. İkincisi, bisikletçi ön tekerlekle sert fren yaptığında gözlemlenebilir.
Yuvarlanma sürtünmesi ve uygulama noktası
Yuvarlanma sürtünmesinin fiziksel nedeni yukarıda tartışılan sürtünme türlerininkinden farklı olduğundan, yuvarlanma sürtünme kuvvetinin uygulama noktası biraz farklı bir karaktere sahiptir.
Arabanın tekerleğinin kaldırımda olduğunu varsayalım. Bu tekerleğin deforme olduğu açıktır. Asf alt ile temas alanı 2dl'ye eşittir, burada l, tekerleğin genişliğidir, 2d, tekerlek ve asf altın yanal temasının uzunluğudur. Yuvarlanma sürtünme kuvveti, fiziksel özünde, tekerleğin dönüşüne karşı yönlendirilen desteğin bir tepki momenti şeklinde kendini gösterir. Bu an şu şekilde hesaplanır:
M=Nd
Bölüp R çarkının yarıçapı ile çarparsak, şunu elde ederiz:
M=Nd/RR=FtR burada Ft=Nd/R
Dolayısıyla, yuvarlanan sürtünme kuvveti Ft aslında desteğin tepkisidir ve tekerleğin dönüşünü yavaşlatma eğiliminde olan bir kuvvet momenti yaratır.
Bu kuvvetin uygulama noktası, düzlemin yüzeyine göre dikey olarak yukarı doğru yönlendirilir ve kütle merkezinden d ile sağa kaydırılır (tekerleğin soldan sağa hareket ettiği varsayılarak).
Problem çözme örneği
EylemHerhangi bir türdeki sürtünme kuvveti, cisimlerin kinetik enerjisini ısıya dönüştürürken, mekanik hareketini yavaşlatma eğilimindedir. Aşağıdaki sorunu çözelim:
bar eğimli bir yüzeyde kayar. Kayma katsayısının 0.35 olduğu ve yüzeyin eğim açısının 35o olduğu biliniyorsa, hareketinin ivmesini hesaplamak gerekir.
Çubuğa hangi kuvvetlerin etki ettiğini düşünelim. İlk olarak, yerçekimi bileşeni kayma yüzeyi boyunca aşağı doğru yönlendirilir. Şuna eşittir:
F=mgsin(α)
İkinci olarak, cismin ivme vektörüne karşı yönlendirilen, düzlem boyunca yukarıya doğru sabit bir sürtünme kuvveti etki eder. Şu formülle belirlenebilir:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
O zaman a ivmesi ile hareket eden bir çubuk için Newton yasası şu şekli alacaktır:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Verileri eşitlikle değiştirerek, a=2,81 m/s2 elde ederiz. Bulunan ivmenin çubuğun kütlesine bağlı olmadığına dikkat edin.
