Sila trenia je fyzikálna veličina, ktorá bráni akémukoľvek pohybu tela. Vyskytuje sa spravidla pri pohybe telies v pevnej, kvapalnej a plynnej hmote. Rôzne typy trecích síl zohrávajú v živote človeka dôležitú úlohu, pretože zabraňujú nadmernému zvýšeniu rýchlosti telies.
Klasifikácia trecích síl
Vo všeobecnosti sú všetky typy trecích síl popísané tromi typmi: trecia sila kĺzania, valenia a pokoja. Prvý je statický, ďalšie dva dynamické. Trenie v pokoji bráni telu, aby sa začalo pohybovať, naopak pri kĺzaní dochádza k treniu, keď sa telo počas pohybu trie o povrch iného telesa. Valivé trenie vzniká pri pohybe okrúhleho predmetu. Vezmime si príklad. Pozoruhodným príkladom tohto typu (valiaca sila trenia) je pohyb kolies auta po asf alte.
Povahou trecích síl je existencia mikroskopických nedokonalostí medzi trecími plochami dvoch telies. Z tohto dôvodu výsledná sila pôsobí naobjekt, ktorý sa pohybuje alebo sa začína pohybovať, pozostáva zo súčtu sily normálnej reakcie podpery N, ktorá je nasmerovaná kolmo na povrch kontaktných telies, a trecej sily F. Táto je nasmerovaná rovnobežne s kontaktná plocha a je oproti pohybu tela.
Trenie medzi dvoma pevnými látkami
Pri zvažovaní problému rôznych typov trecích síl boli pozorované nasledujúce vzorce pre dve pevné telesá:
- Trecia sila smeruje rovnobežne s nosnou plochou.
- Koeficient trenia závisí od povahy kontaktných plôch, ako aj od ich stavu.
- Maximálna trecia sila je priamo úmerná normálnej sile alebo reakcii podpory, ktorá pôsobí medzi kontaktnými plochami.
- Pre rovnaké telesá je trecia sila väčšia predtým, než sa teleso začne pohybovať, a potom sa zníži, keď sa telo začne pohybovať.
- Koeficient trenia nezávisí od kontaktnej plochy a prakticky nezávisí od rýchlosti kĺzania.
Zákony
Zhrnutím experimentálneho materiálu o zákonoch pohybu sme stanovili nasledujúce základné zákony týkajúce sa trenia:
- Odpor voči posúvaniu medzi dvoma telesami je úmerný normálnej sile pôsobiacej medzi nimi.
- Odolnosť voči pohybu medzi trecími telesami nezávisí od kontaktnej plochy medzi nimi.
Na demonštráciu druhého zákona môžeme uviesť nasledujúci príklad: ak vezmete blok a posuniete ho kĺzaním po povrchu, potom sila potrebná na takýto pohybbude rovnaký, keď bude blok ležať na povrchu svojou dlhou stranou a keď bude stáť koncom.
Zákony týkajúce sa rôznych typov trecích síl vo fyzike objavil na konci 15. storočia Leonard da Vinci. Potom sa na ne dlho zabudlo a až v roku 1699 ich znovu objavil francúzsky inžinier Amonton. Odvtedy zákony trenia nesú jeho meno.
Prečo je trecia sila väčšia ako pri kĺzaní v pokoji?
Pri zvažovaní niekoľkých typov trecích síl (pokojových a posuvných) je potrebné poznamenať, že statická trecia sila je vždy menšia alebo rovná súčinu statického koeficientu trenia a reakčnej sily podpery. Koeficient trenia sa pre tieto trecie materiály určuje experimentálne a zapisuje sa do príslušných tabuliek.
Dynamická sila sa počíta rovnakým spôsobom ako statická sila. Iba v tomto prípade sa koeficient trenia používa špeciálne na kĺzanie. Koeficient trenia sa zvyčajne označuje gréckym písmenom Μ (mu). Všeobecný vzorec pre obe trecie sily je teda: Ftr=ΜN, kde N je reakčná sila podpory.
Povaha rozdielu medzi týmito typmi trecích síl nebola presne stanovená. Väčšina vedcov sa však domnieva, že statická trecia sila je väčšia ako pri kĺzaní, pretože keď sú telesá voči sebe nejaký čas v pokoji, môžu medzi ich povrchmi vzniknúť iónové väzby alebo mikrofúzie jednotlivých bodov povrchov. Tieto faktory spôsobujú zvýšenie statikyindikátor.
Príkladom viacerých druhov trecích síl a ich prejavu je piest vo valci motora automobilu, ktorý je v prípade, že motor dlhší čas nebeží, „prispájkovaný“k valcu.
Horizontálne posuvné teleso
Urobme pohybovú rovnicu telesa, ktoré sa pôsobením vonkajšej sily Fin začne kĺzať po povrchu. V tomto prípade pôsobia na telo tieto sily:
- Fv – vonkajšia sila;
- Ftr – trecia sila, ktorá je v opačnom smere ako sila Fv;
- N je reakčná sila podpery, ktorá sa v absolútnej hodnote rovná hmotnosti telesa P a smeruje k povrchu, to znamená v pravom uhle k nemu.
S prihliadnutím na smery všetkých síl píšeme pre tento prípad pohybu druhý Newtonov zákon: Fv - Ftr=ma, kde m - telesná hmotnosť, a - zrýchlenie pohybu. Keď vieme, že Ftr=ΜN, N=P=mg, kde g je zrýchlenie voľného pádu, dostaneme: Fv – Μmg=ma. Odkiaľ, vyjadrením zrýchlenia, s ktorým sa posuvné teleso pohybuje, dostaneme: a=F v /m – Μg.
Pohyb tuhého telesa v kvapaline
Keď uvažujeme o tom, aké typy trecích síl existujú, treba spomenúť dôležitý jav vo fyzike, ktorým je popis pohybu pevného telesa v kvapaline. V tomto prípade hovoríme o aerodynamickom trení, ktoré sa určuje v závislosti od rýchlosti pohybu telesa v kvapaline. Existujú dva typy pohybu:
- Kedytuhé teleso sa pohybuje nízkou rýchlosťou, hovorí sa o laminárnom pohybe. Trecia sila pri laminárnom pohybe je úmerná rýchlosti. Príkladom je Stokesov zákon pre sférické telesá.
- Keď sa pohyb telesa v tekutine vyskytuje vyššou rýchlosťou, než je určitá prahová hodnota, potom sa okolo tela začnú objavovať víry z prúdenia tekutín. Tieto víry vytvárajú dodatočnú silu, ktorá bráni pohybu a výsledkom je, že trecia sila je úmerná druhej mocnine rýchlosti.
Povaha valivej trecej sily
Keď hovoríme o typoch trecích síl, je zvykom nazývať valivé trecie sily tretím typom. Prejavuje sa pri prevalení telesa po určitom povrchu a dochádza k deformácii tohto telesa a povrchu samotného. To znamená, že v prípade absolútne nedeformovateľného tela a povrchu sa o sile valivého trenia nemá zmysel baviť. Poďme sa na to pozrieť bližšie.
Koncepcia koeficientu valivého trenia je podobná ako pri kĺzaní. Keďže počas valcovania nedochádza k preklzávaniu medzi povrchmi telies, koeficient valivého trenia je oveľa menší ako pri kĺzaní.
Hlavným faktorom, ktorý ovplyvňuje koeficient, je hysterézia mechanickej energie pre typ valivej trecej sily. Najmä koleso, v závislosti od materiálu, z ktorého je vyrobené, ako aj od zaťaženia, ktoré nesie, sa pri pohybe elasticky deformuje. Opakujúce sa cykly elastickej deformácie vedú k prenosu časti mechanickej energie na tepelnú energiu. Navyše kvôlipoškodenie, kontakt kolesa a povrch už má určitú konečnú kontaktnú plochu.
vzorec valivej trecej sily
Ak použijeme výraz pre moment sily, ktorý otáča koleso, potom môžeme dostať treciu silu Ftr.k.=Μ k N / R, tu N je reakcia podpery, R je polomer kolesa, Μк – koeficient valivého trenia. Valivá trecia sila je teda nepriamo úmerná polomeru, čo vysvetľuje výhodu veľkých kolies oproti malým.
Nepriaznivá úmernosť tejto sily k polomeru kolesa naznačuje, že v prípade dvoch kolies rôznych polomerov, ktoré majú rovnakú hmotnosť a sú vyrobené z rovnakého materiálu, sa koleso s väčším polomerom dá ľahšie budge.
Pomer rolovania
V súlade so vzorcom pre tento typ trecej sily dostaneme, že koeficient valivého trenia Μk má rozmer dĺžky. Závisí to najmä od povahy kontaktujúcich orgánov. Hodnota, ktorá je určená pomerom koeficientu valivého trenia k polomeru, sa nazýva koeficient valenia, to znamená Ck=Μk / R je bezrozmerná veličina.
Koeficient valenia Ck je výrazne nižší ako koeficient klzného trenia Μtr. Preto pri odpovedi na otázku, ktorý typ trecej sily je najmenší, môžeme pokojne nazvať valivú treciu silu. Vďaka tejto skutočnosti je vynález kolesa považovaný za dôležitý krok v technologickom pokroku.ľudskosť.
Pomer valenia je špecifický pre systém a závisí od nasledujúcich faktorov:
- tvrdosť kolesa a povrchu (čím menšia je deformácia telies pri pohybe, tým nižší je koeficient valenia);
- polomer kolesa;
- závažie, ktoré pôsobí na koleso;
- kontaktná plocha a jej tvar;
- viskozita v oblasti kontaktu medzi kolesom a povrchom;
- telesná teplota
