Elkeen van ons is bekend met die manifestasie van die wrywingskrag. Inderdaad, enige beweging in die alledaagse lewe, of dit nou 'n persoon loop of 'n voertuig beweeg, is onmoontlik sonder die deelname van hierdie krag. In fisika is dit gebruiklik om drie tipes wrywingskragte te bestudeer. In hierdie artikel sal ons een van hulle oorweeg, ons sal uitvind wat statiese wrywing is.
Staaf op 'n horisontale oppervlak
Voordat ons voortgaan om die vrae te beantwoord, wat is die statiese wrywingskrag en waaraan is dit gelyk, kom ons kyk na 'n eenvoudige geval met 'n staaf wat op 'n horisontale oppervlak lê.
Kom ons ontleed watter kragte op die staaf inwerk. Die eerste is die gewig van die item self. Kom ons dui dit aan met die letter P. Dit is vertikaal na onder gerig. Tweedens is dit die reaksie van die steun N. Dit is vertikaal opwaarts gerig. Newton se tweede wet vir die saak onder oorweging sal in die volgende vorm geskryf word:
ma=P - N.
Die minusteken hier weerspieël die teenoorgestelde rigtings van die gewig- en ondersteuningsreaksievektore. Aangesien die blok in rus is, is die waarde van a nul. Laasgenoemde beteken dat:
P - N=0=>
P=N.
Die reaksie van die ondersteuning balanseer die gewig van die liggaam en is gelyk aan dit in absolute waarde.
Eksterne krag wat op 'n staaf op 'n horisontale oppervlak inwerk
Kom ons voeg nou nog een waarnemende krag by die situasie hierbo beskryf. Kom ons neem aan dat 'n persoon 'n blok langs 'n horisontale oppervlak begin stoot. Kom ons dui hierdie krag aan met die letter F. 'n Mens kan 'n wonderlike situasie opmerk: as die krag F klein is, dan bly die staaf ten spyte van sy werking op die oppervlak rus. Die gewig van die liggaam en die reaksie van die steun is loodreg op die oppervlak gerig, dus is hul horisontale projeksies gelyk aan nul. Met ander woorde, die kragte P en N kan F op geen manier teenstaan nie. In daardie geval, hoekom bly die staaf in rus en beweeg nie?
Natuurlik moet daar 'n krag wees wat teen die krag F gerig is. Hierdie krag is die statiese wrywing. Dit is teen F gerig langs 'n horisontale oppervlak. Dit tree op in die kontakarea tussen die onderste rand van die staaf en die oppervlak. Kom ons dui dit aan met die simbool Ft. Newton se wet vir horisontale projeksie sal geskryf word as:
F=Ft.
Dus, die modulus van die statiese wrywingskrag is altyd gelyk aan die absolute waarde van die eksterne kragte wat langs die horisontale oppervlak inwerk.
Begin van kroegbeweging
Om die formule vir statiese wrywing neer te skryf, kom ons gaan voort met die eksperiment wat in die vorige paragrawe van die artikel begin is. Ons sal die absolute waarde van die eksterne krag F verhoog. Die kroeg sal nog vir 'n geruime tyd rus, maar daar sal 'n oomblik kom wanneer dit begin beweeg. Op hierdie punt sal die statiese wrywingskrag sy maksimum waarde bereik.
Om hierdie maksimum waarde te vind, neem nog 'n balk presies dieselfde as die eerste een en sit dit bo-op. Die kontakarea van die staaf met die oppervlak het nie verander nie, maar sy gewig het verdubbel. Daar is eksperimenteel gevind dat die krag F van losmaak van die staaf van die oppervlak ook verdubbel het. Hierdie feit het dit moontlik gemaak om die volgende formule vir statiese wrywing te skryf:
Ft=µsP.
Dit wil sê, die maksimum waarde van die wrywingskrag blyk eweredig te wees aan die gewig van die liggaam P, waar die parameter µs as 'n proporsionaliteitskoëffisiënt dien. Die waarde µs word die statiese wrywingskoëffisiënt genoem.
Aangesien die liggaamsgewig in die eksperiment gelyk is aan die ondersteuningsreaksiekrag N, kan die formule vir Ft soos volg herskryf word:
Ft=µsN.
Anders as die vorige een, kan hierdie uitdrukking altyd gebruik word, selfs wanneer die liggaam op 'n skuinsvlak is. Die modulus van die statiese wrywingskrag is direk eweredig aan die ondersteuningsreaksiekrag waarmee die oppervlak op die liggaam inwerk.
Fisiese oorsake van krag Ft
Die vraag waarom statiese wrywing plaasvind, is kompleks en vereis inagneming van kontak tussen liggame op die mikroskopiese en atomiese vlak.
In die algemeen is daar twee fisiese oorsake van geweldFt:
- Meganiese interaksie tussen pieke en troë.
- Fisies-chemiese interaksie tussen atome en molekules van liggame.
Maak nie saak hoe glad enige oppervlak is nie, dit het onreëlmatighede en inhomogeniteite. Rofweg kan hierdie inhomogeniteite voorgestel word as mikroskopiese pieke en trôe. Wanneer die piek van een liggaam in die holte van 'n ander liggaam val, vind meganiese koppeling tussen hierdie liggame plaas. 'n Groot aantal mikroskopiese koppelings is een van die redes vir die voorkoms van statiese wrywing.
Die tweede rede is die fisiese en chemiese interaksie tussen die molekules of atome waaruit die liggaam bestaan. Dit is bekend dat wanneer twee neutrale atome mekaar nader, sommige elektrochemiese interaksies tussen hulle kan voorkom, byvoorbeeld dipool-dipool- of van der Waals-interaksies. Op die oomblik van die begin van die beweging word die maat gedwing om hierdie interaksies te oorkom om van die oppervlak weg te breek.
Kenmerke van Ft-sterkte
Daar is reeds hierbo opgemerk waaraan die maksimum statiese wrywingskrag gelyk is, en ook die werkingsrigting daarvan word aangedui. Hier lys ons ander kenmerke van die hoeveelheid Ft.
Ruswrywing hang nie van die kontakarea af nie. Dit word uitsluitlik bepaal deur die reaksie van die ondersteuning. Hoe groter die kontakarea, hoe kleiner is die vervorming van mikroskopiese pieke en trôe, maar hoe groter is hul aantal. Hierdie intuïtiewe feit verduidelik hoekom die maksimum Ftt nie sal verander as die balk na die rand gedraai word met die kleinerarea.
Ruswrywing en glywrywing is van dieselfde aard, beskryf deur dieselfde formules, maar die tweede is altyd minder as die eerste. Glywrywing vind plaas wanneer die blok langs die oppervlak begin beweeg.
Force Ft is in die meeste gevalle 'n onbekende hoeveelheid. Die formule wat hierbo gegee word, stem ooreen met die maksimum waarde van Ft op die oomblik dat die staaf begin beweeg. Om hierdie feit duideliker te verstaan, hieronder is 'n grafiek van die afhanklikheid van die krag Ft op die eksterne invloed F.
Dit kan gesien word dat met toenemende F, die statiese wrywing lineêr toeneem, 'n maksimum bereik, en dan afneem wanneer die liggaam begin beweeg. Tydens die beweging is dit nie meer moontlik om oor die krag Ft te praat nie, aangesien dit deur glywrywing vervang word.
Laastens, die laaste belangrike kenmerk van die Ft sterkte is dat dit nie afhang van die spoed van beweging nie (teen relatief hoë spoed, Ftverminder).
Wrywingskoëffisiënt µs
Aangesien µs in die formule vir die wrywingsmodulus voorkom, moet 'n paar woorde daaroor gesê word.
Die wrywingskoëffisiënt µs is 'n unieke eienskap van die twee oppervlaktes. Dit hang nie van liggaamsgewig af nie, dit word eksperimenteel bepaal. Byvoorbeeld, vir 'n boom-boompaar wissel dit van 0,25 tot 0,5 na gelang van die tipe boom en die kwaliteit van die oppervlakbehandeling van vryfliggame. Vir gewas hout oppervlaktes opnat sneeu µs=0.14, en vir menslike gewrigte neem hierdie koëffisiënt baie lae waardes (≈0.01).
Wat ook al die waarde van µs vir die paar materiale wat oorweeg word, sal 'n soortgelyke koëffisiënt van glywrywing µk altyd wees kleiner. Byvoorbeeld, wanneer 'n boom op 'n boom gly, is dit gelyk aan 0,2, en vir menslike gewrigte oorskry dit nie 0,003 nie.
Volgende sal ons die oplossing van twee fisiese probleme oorweeg waarin ons die verworwe kennis kan toepas.
Staaf op 'n skuins oppervlak: kragberekening Ft
Die eerste taak is redelik eenvoudig. Kom ons neem aan dat 'n blok hout op 'n houtoppervlak lê. Sy massa is 1,5 kg. Die oppervlak is skuins teen 'n hoek van 15o met die horison. Dit is nodig om die statiese wrywingskrag te bepaal as dit bekend is dat die staaf nie beweeg nie.
Die vangplek met hierdie probleem is dat baie mense begin deur die reaksie van die ondersteuning te bereken, en dan die verwysingsdata vir die wrywingskoëffisiënt µs te gebruik, gebruik die bogenoemde formule om die maksimum waarde van F t te bepaal. In hierdie geval is Ft egter nie die maksimum nie. Sy modulus is slegs gelyk aan die eksterne krag, wat geneig is om die staaf van sy plek af in die vlak te beweeg. Hierdie krag is:
F=mgsin(α).
Dan sal die wrywingskrag Ft gelyk aan F wees. Deur die data in gelykheid te vervang, kry ons die antwoord: die statiese wrywingskrag op 'n skuinsvlak F t=3,81 newton.
Staaf op 'n skuins oppervlak: berekeningmaksimum kantelhoek
Kom ons los nou die volgende probleem op: 'n houtblok is op 'n houtskuinsvlak. As die wrywingskoëffisiënt gelyk aan 0.4 aanvaar word, is dit nodig om die maksimum hellingshoek α van die vlak tot die horison te vind, waarteen die staaf sal begin gly.
Gly sal begin wanneer die projeksie van die liggaamsgewig op die vliegtuig gelyk word aan die maksimum statiese wrywingskrag. Kom ons skryf die ooreenstemmende voorwaarde:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Deur die waarde µs=0, 4 in die laaste vergelyking te vervang, kry ons α=21, 8o.
