Friktionstyper, koefficient, beräkning, övningar

De friktion Det är motståndet mot förskjutningen av en yta när du är i kontakt med en annan. Det är ett ytligt fenomen som uppstår mellan fasta, flytande och gasformiga material. Den tangentiella motståndskraften mot två ytor i kontakt, som motsätter sig riktningen för relativ förskjutning mellan dessa ytor, kallas också friktionskraft eller friktionskraft F_r.

För att förskjuta en fast kropp på en yta måste en yttre kraft appliceras som kan övervinna friktion. När kroppen rör sig verkar friktionskraften på kroppen minskar sin hastighet och kan till och med stoppa den.

Friktion [av Keta, Piette Kuiper (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: friktion.Svg)]

Friktionskraften kan representeras grafiskt med hjälp av kraftdiagrammet över en kropp i kontakt med en yta. I detta diagram friktionskraften F_r Det ritas av komponenten i kraften som appliceras på den tangentiella kroppen på ytan.

Kontaktytan utövar en reaktionskraft på kroppen som kallas normal kraft N. I vissa fall beror den normala kraften endast P av kroppen som vilar på ytan, och i andra fall beror det på andra krafter än tyngdkraften.

Friktion härstammar eftersom det finns mikroskopiska rugos mellan ytor i kontakt. När du försöker flytta en yta på den andra. I sin tur produceras energiförluster i form av värme som inte används för att flytta kroppen.

[TOC]

Typer av friktion

Det finns två huvudtyper av friktion: friktionen av Coulomb o Torr friktion och vätskefriktion.

-Coulomb -friktion

Friktion av Coulomb Det motsätter sig alltid kroppens rörelse och är indelad i två typer av friktion: statisk friktion och kinetisk (eller dynamisk) friktion.

I statisk friktion finns det ingen kroppsrörelse på ytan. Den applicerade kraften är mycket låg och räcker inte för att övervinna friktionskraften. Friktion har ett maximivärde som är proportionellt mot normal kraft och kallas statisk friktionskraft F_re.

Den statiska friktionskraften definieras som den maximala kraften som motstår i början av kroppsrörelsen. När den applicerade kraften överskrider den statiska friktionskraften förblir den vid sitt maximala värde.

Kinetisk friktion fungerar när kroppen är i rörelse. Kraften som krävs för att hålla kroppen med friktion kallas kinetisk friktionskraft F_RC.

Den kinetiska friktionskraften är mindre än eller lika med den statiska friktionskraften eftersom när kroppen börjar röra sig är det lättare att fortsätta flytta den än att försöka göra det när du vilar.

Coulomb -friktionslagar

1. Friktionskraften är direkt proportionell mot den normala kraften till kontaktytan. Proportionalitetskonstanten är friktionskoefficienten μ som finns mellan ytorna i kontakt.
2. Friktionskraften är oberoende av storleken på det uppenbara kontaktområdet mellan ytorna.
3. Den kinetiska friktionskraften är oberoende av kroppens glidhastighet.

-Flytande friktion

Friktion uppstår också när kropparna rör sig i kontakt med vätska eller gasformiga material. Denna typ av friktion kallas fluidfriktion och definieras som motståndet mot kroppens rörelse i kontakt med en vätska.

Det kan tjäna dig: enkla fysikexperiment (primäruniversitet)

Fluidfriktion avser också motståndet hos en vätska att flyta i kontakt med vätskeskikt med samma material eller ett annat och beror på vätskans hastighet och viskositet. Viskositet är måttet på motstånd mot rörelse av en vätska.

-Stokes Friction

Stokes -friktion är en typ av vätskefriktion där sfäriska partiklar nedsänks i en viskös vätska, i laminärt flöde, upplever en friktionskraft som bromsar dess rörelse på grund av fluktuationerna hos fluidmolekylerna.

Stokes Friction [av Kraaiennest (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: stokes_sphere.Svg)]

Flödet är laminärt när de viskösa krafterna, som motsätter sig vätskans rörelse, är större än tröghetskrafterna och vätskan rör sig med tillräckligt liten hastighet och i rätlinjen bana.

Friktionskoefficienter

Enligt den första friktionslagen av Coulomb Friktionskoefficienten μ Det erhålls från förhållandet mellan friktionskraft och normal kraft till kontaktytan.

μ = f_r/N

Koefficienten μ Det är en dimensionslös mängd, eftersom det är en relation mellan två krafter, som beror på arten och behandlingen av material i kontakt. Generellt sett är värdet på friktionskoefficienten mellan 0 och 1.

Statisk friktionskoefficient

Den statiska friktionskoefficienten är proportionalitetens konstant som finns mellan kraften som förhindrar rörelse av en kropp i ett kontakttillstånd på en kontaktyta och den normala kraften till ytan.

μ_och= F_re/N

Kinetisk friktionskoefficient

Den kinetiska friktionskoefficienten är proportionalitetens konstant som finns mellan kraften som begränsar rörelsen av en kropp som rör sig på en yta och den normala kraften till ytan.

μ_c= F_RC/N

Den statiska friktionskoefficienten är större än den kinetiska friktionskoefficienten.

μ_s> μ_c

Elastisk friktionskoefficient

Den elastiska friktionskoefficienten härrör från friktionen mellan kontaktytor för elastiska, mjuka eller grova material som deformeras av de applicerade krafterna. Friktion motsätter sig den relativa rörelsen mellan två elastiska ytor och förskjutningen åtföljs av en elastisk deformation av ytlagren av materialet.

Friktionskoefficienten erhållen under dessa förhållanden beror på graden av ytråhet, på de fysiska egenskaperna hos kontaktmaterial och storleken på den tangentiella komponenten i hörstyrkan i materialgränssnittet.

Molekylfriktionskoefficient

Koefficienten för molekylfriktion erhålls från kraften som begränsar rörelsen av en partikel som glider på en mjuk yta eller genom en vätska.

Hur beräknas friktion?

Friktionskraften i fasta gränssnitt beräknas med ekvationen F_r = μN

N Det är den normala kraften och μ Det är friktionskoefficienten.

I vissa fall är den normala kraften lika med kroppens vikt P. Vikten erhålls genom att multiplicera massan m av kroppen på grund av tyngdkraften g.

P= mg

Genom att ersätta viktekvationen i friktionskraftekvationen erhålls den:

Det kan tjäna dig: genomsnittlig acceleration: hur det beräknas och löses

F_r = μmg

Normala egenskaper

När ett föremål är i vila på en plan yta är den normala kraften den som utövar ytan på kroppen och motsätter sig kraften på grund av allvar, enligt Newtons handlingslag och reaktion.

Normal kraft verkar alltid vinkelrätt mot ytan. På en lutande yta minskar den normala när lutningsvinkeln ökar och pekar i vinkelrätt riktning bort från ytan, medan vikten pekar vertikalt ner. Den normala kraftekvationen på en lutande yta är:

N = mgcosθ

θ = lutningsvinkeln för kontaktytan.

Friktion i lutande plan [av Mets501 (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: fre_body.Svg)]

Komponenten i kraften som verkar på kroppen för att skjuta den är:

F = mgsenθ

När den applicerade kraften ökar till det maximala värdet för friktionskraften motsvarar detta värde den statiska friktionskraften. När  F = f_re, Den statiska friktionskraften är:

F_re= mgsenθ

Och den statiska friktionskoefficienten erhålls genom tangent i lutningsvinkeln θ.

μ_och = tanθ

Löst övningar

-Friktionskraft av ett objekt som vilar på en horisontell yta

En 15 kg låda placerad på en horisontell yta skjuts av en person som applicerar en kraft på 50 Newton längs en yta för att röra sig och sedan applicera en 25 N -kraft för att hålla lådan i rörelse med konstant hastighet. Bestäm statiska och kinetiska friktionskoefficienter.

Låda rör sig på horisontell yta

Lösning: Med värdet på den applicerade kraften för att flytta lådan erhålls den statiska friktionskoefficienten μ_och.

μ_och= F_re/N

Den normala kraften N till ytan är lika med vikten på lådan, så N = m.g

N = 15 kgx9,8 m/s²

N = 147New

I detta fall, μ_och= 50New/147New

μ_och= 0,34

Den applicerade kraften för att bibehålla hastigheten på den konstanta lådan är den kinetiska friktionskraften som är lika med 25NEW.

Den kinetiska friktionskoefficienten erhålls med ekvationen μ_c= F_RC /N

μ_c= 25New/147New

μ_c= 0,17

-Friktionskraft av ett objekt under en kraftverk med en lutvinkel

En man applicerar en kraft på en 20 kg låda, med en applikationsvinkel på 30 ° i förhållande till ytan där han vilar. Vad är storleken på den applicerade kraften för att flytta lådan om friktionskoefficienten mellan lådan och ytan är 0,5?

Lösning: Den applicerade kraften och dess vertikala och horisontella komponenter representeras i det fria kroppsdiagrammet.

Fri kroppsdiagram

Den applicerade kraften bildar en vinkel på 30 ° med den horisontella ytan. Den vertikala komponenten i kraften bidrar till den normala kraften som påverkar den statiska friktionskraften. Lådan rör sig när den horisontella komponenten i den applicerade kraften överskrider det maximala värdet för friktionskraften F_re. Genom att matcha den horisontella komponenten i kraften med den för statisk friktion erhålls den:

F_re = Fcosθ                       [1]

F_re= μ_och.N                          [2]

Det kan tjäna dig: Rutherford Atomic Model: History, Experiment, Postulates

μ_och.N = fcosθ                      [3]

normal styrka

Normal kraft är inte längre kroppens vikt på grund av den vertikala komponenten i kraft.

Enligt Newtons andra lag är summan av krafterna som verkar på lådan på den vertikala axeln ogiltig, därför är den vertikala komponenten i accelerationen till_och= 0. Normal kraft erhålls från summan

F Sen30 ° + N - P = 0                      [4]

P = m.g                                        [5]

F Snn 30 ° + N - M.G = 0                [6]

N = m.G - f sen 30 °                      [7]

Vid ersättning av ekvation [7] i ekvation [3] erhålls följande:

μ_och. (m.G - f sin 30 °) = fcos30 °     [8]

Det rensar F Från ekvation [8] och erhållen:

F = μ_och . m.G /(cos 30 ° + μ_och Synd 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m/s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5 ny

-Friktion i ett rörligt fordon

Ett fordon på 1,5 ton rör sig på en rätlinjig och horisontell väg med en hastighet av 70 km/h. Föraren visualiserar på ett visst avstånd hinder på vägen som tvingar honom att stoppa skarpt. Efter att ha stoppat skridskobilen under en kort tid tills det stannar. Om friktionskoefficienten mellan däcken och vägen är 0,7; Bestäm följande:

1. Vad är värdet av friktion medan patina fordonet?
2. Fordonsbromsrering
3. Avståndet som fordonet reste från stopp tills det stannar.

Lösning:

Sektion A

Det fria kroppsdiagrammet visar krafterna som verkar på fordonet vid skridskoåkning.

Styrkor som agerar i ett rörligt fordon

Eftersom summan av krafterna som verkar i den vertikala axeln är noll är den normala kraften lika med fordonets vikt.

N = m.g

M = 1,5 ton = 1500 kg

N = 1500 kgx9,8 m/s²= 14700New

Fordonets friktionskraft när skridskor är:

F_r = μn = 0,7x14700New

= 10290 NYTT

Avsnitt B

Friktionskraften påverkar minskningen av fordonshastigheten vid skridskoåkning.

Vid tillämpning av Newtons andra lag erhålls värdet på retardationen genom att rensa ekvationen F = m.till

A = f/m

a = (-10290 ny)/ 1500 kg

= -6,86 m/s²

Avsnitt C

Den ursprungliga fordonshastigheten är v₀ = 70 km/h = 19,44 m/s

När fordonet stoppar sin slutliga hastighet är det v_F = 0 Och retardationen är A = -6,86 m/s²

Avståndet som fordonet reste, eftersom det stannar tills det stannar, erhålls det genom att rensa d av följande ekvation:

v_F² = v₀²+2AD

D = (v_F² - v₀²)/2a

= ((0)²-(19,44 m/s)²)/(2x (-6,86 m/s²)

D = 27,54 m

Fordonet reser 27,54m avstånd innan du stannar.

 Referenser

1. Beräkningar av friktionskoefficienten under elastiska kontaktförhållanden. Mikhin, N M. 2, 1968, Sovjet Materials Science, Vol. 4, s. 149-152.
2. Blau, P J. Friktionsvetenskap och teknik. Florida, USA: CRC Press, 2009.
3. Förhållandet mellan vidhäftning och friktionskrafter. Isralachvili, j n, chen, du-lung och yoshizawa, h. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, s. 1231-1249.
4. Zimba, j. Kraft och rörelse. Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, f. Principer och tillämpningar av tribologi. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, C S och Purohit, K. Teori om mekanismer och maskiner. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.