Plik tarcie statyczne to siła, która powstaje między dwiema powierzchniami, gdy jedna powierzchnia nie ślizga się względem drugiej. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ pozwala nam poruszać się do przodu podczas chodzenia, ponieważ jest to siła występująca między podłogą a podeszwą butów.
Jest to również tarcie statyczne, które pojawia się między chodnikiem a oponami samochodu. Jeśli ta siła nie jest obecna, samochód nie może ruszyć, jak to ma miejsce w samochodzie, który próbuje ruszyć na oblodzonej nawierzchni: koła ślizgają się, ale samochód się nie porusza.
Tarcie statyczne zależy od chropowatości stykających się powierzchni, a także od rodzaju materiału, z którego są wykonane. Dlatego opony i buty sportowe są wykonane z gumy, aby zwiększyć tarcie o nawierzchnię..
W modelu tarcia statycznego właściwości materiałów i stopień chropowatości między powierzchniami są podsumowane w postaci liczby zwanej współczynnik tarcia statycznego, który jest określony eksperymentalnie.
Indeks artykułów
Powyższy rysunek przedstawia książkę spoczywającą na stole o nachyleniu 15,7º.
Gdyby powierzchnie książki i stołu były bardzo gładkie i wypolerowane, książka nie mogłaby stać nieruchomo. Ale ponieważ tak nie jest, pojawia się siła styczna do stykających się powierzchni zwana siłą tarcie statyczne.
Jeśli kąt nachylenia jest wystarczająco duży, to nie wystarczy statyczna siła tarcia aby zrównoważyć książkę i zacznie się ślizgać.
W tym przypadku występuje również tarcie między książką a stołem, ale byłby to plik siła tarcie dynamiczne, nazywany również tarcie kinetyczne.
Istnieje granica między tarciem statycznym a tarciem dynamicznym, które pojawia się do momentu, gdy tarcie statyczne osiągnie swoją maksymalną wartość.
Rozważmy na rysunku 2, wykres siły księgi o masie m, która jest utrzymywana w spoczynku na płaszczyźnie nachylenia α.
Książka pozostaje w spoczynku, ponieważ statyczna siła tarcia F równoważy system.
Jeśli kąt nachylenia nieco się zwiększy, to stykające się powierzchnie muszą zapewniać większą siłę tarcia, ale wielkość tarcia statycznego, którą mogą zapewnić stykające się powierzchnie, ma maksymalny limit Fmax, mianowicie:
F ≤ F.max.
Maksymalna siła tarcia statycznego zależy od materiałów i stopnia chropowatości stykających się powierzchni, a także od siły chwytu.
Współczynnik tarcia statycznego μi jest liczbą dodatnią, która zależy od właściwości stykających się powierzchni. Normalna siła N że płaszczyzna wywiera na klocek stopień szczelności między powierzchnią klocka a płaszczyzną. W ten sposób określają maksymalną siłę tarcia, jaką zapewniają powierzchnie, gdy nie ma poślizgu:
famax = μi N
Podsumowując, statyczna siła tarcia jest zgodna z następującym modelem:
F ≤ μi N
Współczynnik tarcia statycznego to bezwymiarowa liczba określana eksperymentalnie dla każdej pary powierzchni.
Rozważamy blok w spoczynku na rysunku 2. Działają na niego następujące siły:
- Siła tarcia: fa
- Masa bloku o masie m: msol
- Normalna siła: N
Ponieważ blok jest w spoczynku i nie ma przyspieszenia, zgodnie z drugim prawem Newtona, wypadkowa siła -a suma wektorów- wynosi zero:
fa + N + msol = 0
Rozważany jest stały układ współrzędnych XY z osią X wzdłuż płaszczyzny nachylonej i osią Y prostopadłą do niej, jak pokazano na rysunku 2.
Siły muszą być rozdzielone zgodnie z ich składowymi kartezjańskimi, dając początek następującym układom równań:
-Składnik X: -F + mg Sen (α) = 0
-Składnik Y: N - mg Cos (α) = 0
Wartość statycznej siły tarcia rozwiązuje się z pierwszego równania:
F = mg Sen (α)
A od drugiego wartość siły normalnej:
N = mg Cos (α)
Statyczna siła tarcia F jest zgodna z następującym modelem:
F ≤ μi N
Zastępując otrzymane wcześniej wartości w nierówności otrzymujemy:
mg Sen (α) ≤ μi mg Cos (α)
Biorąc pod uwagę, że dla wartości α między 0º i 90º, funkcje sinus i cosinus są dodatnie, a iloraz między sinusem i cosinusem jest styczną, otrzymujemy:
Tan (α) ≤ μi
Równość zachodzi dla określonej wartości α zwanej kątem krytycznym, którą oznaczymy przez α *, to znaczy:
μi = Tan (α *)
Kąt krytyczny wyznaczany jest eksperymentalnie, stopniowo zwiększając nachylenie aż do odpowiedniego kąta, przy którym klocek zaczyna się przesuwać, czyli kąta krytycznego α *.
W książce z fig. 1 kąt ten został określony doświadczalnie, dając wynik 24 °. Wtedy współczynnik tarcia statycznego wynosi:
μi = Tan (24º) = 0,45.
Jest to liczba dodatnia od 0 do nieskończoności. Jeśli μi = 0 powierzchnie są idealnie gładkie. Jeśli μi → ∞ powierzchnie są idealnie połączone lub zgrzane.
Ogólnie wartość współczynnika tarcia wynosi od 0 do 10.
W wyścigach sprinterskich czy dragsterów na starcie uzyskuje się przyspieszenia do 4 g, które osiąga się dokładnie wtedy, gdy opony nie ślizgają się po chodniku..
Dzieje się tak, ponieważ współczynnik tarcia statycznego jest zawsze większy niż współczynnik tarcia dynamicznego..
Przyjmując, że całkowita masa pojazdu wraz z kierowcą wynosi 600 kg, a tylne koła utrzymują 80% ciężaru, wyznacz siłę tarcia statycznego podczas startu 4g oraz współczynnik tarcia statycznego pomiędzy oponami a nawierzchnią..
Zgodnie z drugim prawem Newtona, uzyskana siła jest równa całkowitej masie pojazdu pomnożonej przez przyspieszenie, które osiąga.
Ponieważ pojazd znajduje się w równowadze pionowej, normalna i ciężar znoszą się, pozostawiając w rezultacie siłę tarcia F, którą nawierzchnia wywiera na powierzchnię styku kół trakcyjnych, pozostawiając:
F = m (4g) = 600 kg (4 x 9,8 m / sdwa) = 23520 N = 2400 kg-f
Oznacza to, że siła uciągu wynosi 2,4 tony.
Siła tarcia, jaką koło wywiera na ziemię, cofa się, ale jej reakcja, która jest taka sama i przeciwna, oddziałuje na oponę i idzie do przodu. To jest siła, która napędza pojazd.
Oczywiście cała ta siła jest wytwarzana przez silnik, który próbuje wepchnąć podłogę z powrotem przez koło, ale koło i podłoga są połączone siłą tarcia.
Do określenia współczynnika tarcia statycznego wykorzystujemy fakt, że otrzymane F jest maksymalnym możliwym tarciem, ponieważ znajdujemy się na granicy maksymalnego przyspieszenia, dlatego:
F = μi N = μe (0,8 mg)
Uwzględniono fakt, że tylne koła napędowe wytrzymują 0,8-krotność ciężaru. Rozwiązując współczynnik tarcia otrzymujemy:
μi = F / (0,8 mg) = 23520 N / (0,8 x 600 kg x 9,8 m / s ^ 2) = 5.
Wniosek: μi = 5.
Jeszcze bez komentarzy