Rodzaje tarcia, współczynnik, obliczenia, ćwiczenia

Plik tarcie jest oporem przemieszczania się jednej powierzchni stykającej się z drugą. Jest to zjawisko powierzchniowe występujące między materiałami stałymi, ciekłymi i gazowymi. Siła oporu styczna do dwóch stykających się powierzchni, która przeciwstawia się kierunkowi względnego przemieszczenia między tymi powierzchniami, jest również nazywana siłą tarcia lub siłą tarcia fa_r.

Aby przesunąć ciało stałe po powierzchni, należy przyłożyć siłę zewnętrzną, która może pokonać tarcie. Kiedy ciało się porusza, siła tarcia działa na ciało, spowalniając je, a nawet może je zatrzymać..

Siłę tarcia można przedstawić graficznie za pomocą wykresu siły ciała stykającego się z powierzchnią. Na tym wykresie siła tarcia fa_r jest rysowany przeciwstawnie do składowej siły przyłożonej do ciała stycznie do powierzchni.

Powierzchnia styku wywiera na organizm siłę zwaną siłą normalną N. W niektórych przypadkach normalna siła wynika tylko z ciężaru P. ciała spoczywającego na powierzchni, aw innych przypadkach jest to spowodowane przyłożonymi siłami innymi niż siła ciężkości.

Tarcie występuje, ponieważ między stykającymi się powierzchniami występują mikroskopijne nierówności. Podczas próby przesuwania jednej powierzchni po drugiej, występuje tarcie między nierównościami, które uniemożliwiają swobodny ruch na granicy. Z kolei straty energii zachodzą w postaci ciepła, które nie jest wykorzystywane do poruszania ciałem.

Indeks artykułów

• 1 Rodzaje tarcia
  • 1.1 - Tarcie kulombowskie
  • 1.2 - Tarcie płynów
  • 1.3 - Wzbudza tarcie
• 2 Współczynniki tarcia
  • 2.1 Współczynnik tarcia statycznego
  • 2.2 Współczynnik tarcia kinetycznego
  • 2.3 Współczynnik tarcia sprężystego
  • 2.4 Molekularny współczynnik tarcia
• 3 Jak obliczane jest tarcie?
  • 3.1 Charakterystyka normalności
• 4 ćwiczenia rozwiązane
  • 4.1 -Siła tarcia obiektu spoczywającego na poziomej powierzchni
  • 4.2 -Siła tarcia obiektu pod działaniem siły o kącie nachylenia
  • 4.3 - Tarcie w poruszającym się pojeździe
• 5 Referencje

Rodzaje tarcia

Istnieją dwa główne rodzaje tarcia: tarcie Kulomb lub tarcie suche i tarcie płynne.

-Tarcie Coulomba

Tarcie Kulomb zawsze przeciwstawia się ruchowi ciał i dzieli się na dwa rodzaje tarcia: tarcie statyczne i tarcie kinetyczne (lub dynamiczne).

W przypadku tarcia statycznego ciało nie porusza się po powierzchni. Przyłożona siła jest bardzo mała i nie wystarcza do pokonania siły tarcia. Tarcie ma maksymalną wartość, która jest proporcjonalna do siły normalnej i nazywana jest statyczną siłą tarcia fa_re.

Siła tarcia statycznego jest definiowana jako maksymalna siła, która przeciwstawia się początkowi ruchu ciała. Gdy przyłożona siła przekracza statyczną siłę tarcia, pozostaje ona na swojej maksymalnej wartości.

Tarcie kinetyczne działa, gdy ciało jest już w ruchu. Siła potrzebna do utrzymania ciała w ruchu z tarciem nazywana jest kinetyczną siłą tarcia. fa_rc.

Siła tarcia kinetycznego jest mniejsza lub równa statycznej sile tarcia, ponieważ gdy ciało zaczyna się poruszać, łatwiej jest utrzymać się w ruchu niż próbować to robić w spoczynku..

Prawa tarcia Coulomba

1. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do siły normalnej do powierzchni styku. Stała proporcjonalności to współczynnik tarcia μ który istnieje między stykającymi się powierzchniami.
2. Siła tarcia jest niezależna od wielkości pozornej powierzchni styku między powierzchniami.
3. Siła tarcia kinetycznego jest niezależna od prędkości ślizgu nadwozia.

-Płynne tarcie

Tarcie występuje również, gdy ciała poruszają się w kontakcie z materiałami płynnymi lub gazowymi. Ten rodzaj tarcia nazywany jest tarciem płynnym i jest definiowany jako opór ruchu ciał stykających się z płynem.

Tarcie płynu odnosi się również do oporu przepływu płynu w kontakcie z warstwami płynu z tego samego lub innego materiału i zależy od prędkości i lepkości płynu. Lepkość jest miarą oporu ruchu płynu.

-Tarcie Stokesa

Tarcie Stokesa to rodzaj tarcia płynów, w którym kuliste cząstki zanurzone w lepkim płynie, w przepływie laminarnym, doświadczają siły tarcia, która spowalnia ich ruch z powodu fluktuacji cząsteczek płynu..

Przepływ jest laminarny, gdy siły lepkości, które przeciwstawiają się ruchowi płynu, są większe niż siły bezwładności, a płyn porusza się z dostatecznie małą prędkością i po prostoliniowej ścieżce.

Współczynniki tarcia

Zgodnie z pierwszą zasadą tarcia Kulomb współczynnik tarcia μ uzyskuje się z zależności między siłą tarcia a siłą prostopadłą do powierzchni styku.

μ = F._r/N

Współczynnik μ jest to wielkość bezwymiarowa, ponieważ jest to związek między dwiema siłami, który zależy od rodzaju i obróbki stykających się materiałów. Ogólnie wartość współczynnika tarcia wynosi od 0 do 1.

Statyczny współczynnik tarcia

Współczynnik tarcia statycznego jest stałą proporcjonalności, która istnieje między siłą, która zapobiega ruchowi ciała w stanie spoczynku na powierzchni styku, a siłą normalną do powierzchni.

μ_i= F._re/ N

Współczynnik tarcia kinetycznego

Współczynnik tarcia kinetycznego jest stałą proporcjonalności, która istnieje między siłą ograniczającą ruch ciała poruszającego się po powierzchni a siłą prostopadłą do powierzchni.

μ_do= F._rc/ N

Współczynnik tarcia statycznego jest większy niż współczynnik tarcia kinetycznego.

μ_s> μ_do

Elastyczny współczynnik tarcia

Współczynnik tarcia sprężystego jest wyprowadzany z tarcia między powierzchniami stykowymi materiałów elastycznych, miękkich lub szorstkich, które są odkształcane przez przyłożone siły. Tarcie przeciwdziała względnemu ruchowi między dwiema elastycznymi powierzchniami, a przemieszczeniu towarzyszy elastyczna deformacja powierzchniowych warstw materiału..

Uzyskany w tych warunkach współczynnik tarcia zależy od stopnia chropowatości powierzchni, właściwości fizycznych stykających się materiałów oraz wielkości składowej stycznej siły ścinającej na styku materiałów..

Współczynnik tarcia cząsteczkowego

Współczynnik tarcia molekularnego jest uzyskiwany z siły, która ogranicza ruch cząstki, która ślizga się po gładkiej powierzchni lub przez płyn.

Jak obliczane jest tarcie?

Siła tarcia na powierzchniach międzyfazowych jest obliczana za pomocą równania fa_r = μN

N jest siłą normalną i μ jest współczynnikiem tarcia.

W niektórych przypadkach siła normalna jest równa masie ciała P.. Masę uzyskuje się poprzez pomnożenie masy m ciała przez przyspieszenie ziemskie sol.

P.= mg

Podstawiając równanie ciężaru w równaniu siły tarcia otrzymujemy:

fa_r = μmg

Charakterystyka normalności

Kiedy obiekt spoczywa na płaskiej powierzchni, normalna siła jest siłą wywieraną przez powierzchnię na ciało i przeciwdziała sile grawitacji, zgodnie z prawem akcji i reakcji Newtona..

Siła normalna zawsze działa prostopadle do powierzchni. Na pochyłej powierzchni normalna maleje wraz ze wzrostem kąta pochylenia i jest skierowana prostopadle w kierunku od powierzchni, podczas gdy ciężar jest skierowany pionowo w dół. Równanie siły normalnej na pochyłej powierzchni jest następujące:

N = mgcosθ

θ = kąt nachylenia powierzchni styku.

Składowa siły działającej na ciało, aby go przesuwać, to:

F = mgsenθ

Wraz ze wzrostem przyłożonej siły zbliża się ona do maksymalnej wartości siły tarcia, wartość ta odpowiada wartości statycznej sile tarcia. Gdy  F = F._re, statyczna siła tarcia wynosi:

fa_re= mgsenθ

A współczynnik tarcia statycznego uzyskuje się za pomocą stycznej kąta nachylenia θ.

μ_i = soθ

Rozwiązane ćwiczenia

-Siła tarcia przedmiotu leżącego na poziomej powierzchni

Pudełko o masie 15 kg umieszczone na poziomej powierzchni jest popychane przez osobę, która przykłada siłę 50 niutonów w poprzek powierzchni, aby ją poruszyć, a następnie przykłada siłę 25 N, aby utrzymać pudełko w ruchu ze stałą prędkością. Wyznacz współczynniki tarcia statycznego i kinetycznego.

Rozwiązanie: Mając wartość siły przyłożonej do przesunięcia skrzyni, uzyskuje się współczynnik tarcia statycznego μ_i.

μ_i= F._re/ N

Normalna siła N do powierzchni równa się wadze pudełka, tzw N = m.g

N = 15 kg x 9,8 m / s^dwa

N = 147 Nowość

W tym przypadku, μ_i= 50 nowych / 147 nowych

μ_i= 0,34

Siła zastosowana w celu utrzymania stałej prędkości skrzyni jest kinetyczną siłą tarcia równą 25 New.

Współczynnik tarcia kinetycznego uzyskuje się z równania μ_do= F._rc / N

μ_do= 25 nowy / 147 nowy

μ_do= 0,17

-Siła tarcia obiektu pod działaniem siły o kącie nachylenia

Mężczyzna przykłada siłę do pudełka o masie 20 kg, pod kątem 30 ° w stosunku do powierzchni, na której spoczywa. Jaka jest wielkość siły przyłożonej do przesunięcia pudełka, jeśli współczynnik tarcia między pudełkiem a powierzchnią wynosi 0,5?

Rozwiązanie: Przyłożona siła oraz jej składowa pionowa i pozioma są przedstawione na wykresie sił działających.

Przyłożona siła tworzy kąt 30 ° z poziomą powierzchnią. Pionowa składowa siły sumuje się z siłą normalną wpływającą na siłę tarcia statycznego. Skrzynka przesuwa się, gdy pozioma składowa przyłożonej siły przekracza maksymalną wartość siły tarcia fa_re. Zrównanie poziomej składowej siły z tarciem statycznym daje:

fa_re = Fcosθ                       [1]

fa_re= μ_i.N                          [dwa]

μ_i.N = Fcosθ                      [3]

normalna siła

Siła normalna nie jest już ciężarem ciała ze względu na pionową składową siły.

Zgodnie z drugim prawem Newtona, suma sił działających na skrzynkę na osi pionowej wynosi zero, dlatego składowa pionowa przyspieszenia wynosi do_Y= 0. Siłę normalną uzyskuje się z sumy

F sin30 ° + N - P = 0                      [4]

P = m.g                                        [5]

F sin 30 ° + N - m.g = 0                [6]

N = m.g - F sin 30 °                      [7]

Zastępując równanie [7] w równaniu [3] otrzymujemy:

μ_i. (m.g - F sin 30 °) = Fcos30 °     [8]

Czyści fa z równania [8] i otrzymujemy:

F = μ_i . m.g / (cos 30 ° + μ_i sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m / s^dwa / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5 Nowy

-Tarcie w poruszającym się pojeździe

Pojazd o masie 1,5 tony porusza się po prostej i poziomej drodze z prędkością 70 km / h. Kierowca widzi w pewnej odległości przeszkody na drodze, które zmuszają go do gwałtownego hamowania. Po zahamowaniu pojazd przez krótki czas wpada w poślizg, aż do zatrzymania. Jeżeli współczynnik tarcia między oponami a drogą wynosi 0,7; określić, co następuje:

1. Jaka jest wartość tarcia podczas poślizgu pojazdu?
2. Spowolnienie pojazdu
3. Odległość przebyta przez pojazd od hamowania do zatrzymania.

Rozwiązanie:

Akapit a

Wykres swobodnego ciała przedstawia siły działające na pojazd, gdy się on ślizga..

Ponieważ suma sił działających na osi pionowej wynosi zero, siła normalna jest równa masie pojazdu.

N = m.g

m = 1,5 tony = 1500 kg

N = 1500 kg x 9,8 m / s^dwa= 14700 Nowy

Siła tarcia pojazdu w poślizgu wynosi:

fa_r = μN = 0,7x14700 Nowość

= 10290 Nowy

Sekcja B.

Siła tarcia wpływa na spowolnienie pojazdu podczas poślizgu.

Stosując drugie prawo Newtona, wartość opóźnienia uzyskuje się rozwiązując równanie F = m.a

a = F / m

a = (-10290 nowy) / 1500 kg

= -6,86 m / s^dwa

Sekcja C.

Prędkość początkowa pojazdu wynosi v₀ = 70 km / h = 19,44 m / s

Kiedy pojazd się zatrzymuje, jego prędkość końcowa wynosi v_fa = 0 a zwalnianie jest a = -6,86 m / s^dwa

Odległość przebytą przez pojazd, od hamowania do zatrzymania, uzyskuje się przez oczyszczenie re z następującego równania:

v_fa^dwa = w₀^dwa+2ad

d = (w_fa^dwa - v₀^dwa) / 2nd

= ((0)^dwa-(19,44 m / s)^dwa) / (2x (-6,86 m / s^dwa))

d = 27,54 m

Pojazd jedzie 27,54 m przed zatrzymaniem.

 Bibliografia

1. Obliczenia współczynnika tarcia w warunkach kontaktu sprężystego. Mikhin, N M. 2, 1968, Soviet Materials Science, tom 4, str. 149-152.
2. Blau, P J. Nauka i technologia tarcia. Floryda, USA: CRC Press, 2009.
3. Zależność między siłami przyczepności i tarcia. Israelachvili, J N, Chen, You-Lung and Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, tom 8, str. 1231-1249.
4. Zimba, J.. Siła i ruch. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B.. Zasady i zastosowania trybologii. Nowy Jork: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, C S i Purohit, K.. Teoria mechanizmów i maszyn. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.