Friktionskoefficient och situationer där det uppstår. Friktionskrafter, friktionskoefficient Vad bestämmer värdet på friktionskoefficienten

Studie av friktionskraftens beroende av kontaktytan mellan kroppar

Låt oss utforska vad friktionskraften beror på. För att göra detta kommer vi att använda en slät träskiva, ett träblock och en dynamometer.

Bild 1.

Låt oss först kontrollera om friktionskraften beror på kontaktytan mellan kropparna. Placera blocket på en horisontell bräda med kanten med störst yta. Efter att ha fäst en dynamometer på blocket kommer vi smidigt att öka kraften riktad längs brädets yta och lägga märke till det maximala värdet på den statiska friktionskraften. Sedan placerar vi samma block på en annan yta med mindre yta och mäter återigen maxvärdet för den statiska friktionskraften. Erfarenheten visar att det maximala värdet av den statiska friktionskraften inte beror på kontaktytan mellan kropparna.

Genom att upprepa samma mätningar med en enhetlig rörelse av blocket över brädans yta är vi övertygade om att glidfriktionskraften inte heller beror på kontaktytan mellan kropparna.

Studie av friktionskraftens beroende av tryckkraften

Låt oss placera ett andra block av samma typ på det första blocket.

Figur 2.

Genom detta kommer vi att öka kraften vinkelrätt mot kroppens och bordets kontaktyta (det kallas tryckkraften~$\overline(P)$). Om vi ​​nu mäter den maximala statiska friktionskraften igen ser vi att den har fördubblats. Efter att ha placerat en trea på två stänger finner vi att den maximala statiska friktionskraften har ökat tre gånger.

Baserat på sådana experiment kan vi dra slutsatsen att det maximala värdet på modulen för den statiska friktionskraften är direkt proportionell mot tryckkraften.

Samspelet mellan kroppen och stödet orsakar deformation av både kroppen och stödet.

Den elastiska kraften $\overline(N)$ som uppstår till följd av deformationen av stödet och verkar på kroppen kallas stödreaktionskraften. Enligt Newtons tredje lag är tryckkraften och stödreaktionskraften lika stora och motsatta i riktning:

Figur 3.

Därför kan den tidigare slutsatsen formuleras enligt följande: modulen för den maximala statiska friktionskraften är proportionell mot stödets reaktionskraft:

Den grekiska bokstaven $\mu$ betecknar proportionalitetskoefficienten, som kallas friktionskoefficienten (vila respektive glidning).

Erfarenhet visar att modulen för glidfriktionskraften $F_(mp) $, liksom modulen för den maximala statiska friktionskraften, är proportionell mot modulen för stödreaktionskraften:

Det maximala värdet av den statiska friktionskraften är ungefär lika med glidfriktionskraften, och koefficienterna för statisk och glidande friktion är också ungefär lika.

Den dimensionslösa proportionalitetskoefficienten $\mu$ beror på:

• från naturen av gnuggytor;
• på gnidningsytornas tillstånd, i synnerhet på deras grovhet;
• i fallet med glidning är friktionskoefficienten en funktion av hastigheten.

Exempel 1

Bestäm minsta bromssträcka för en bil som börjar bromsa på en horisontell del av motorvägen med en hastighet av $20$ m/s. Friktionskoefficienten är 0,5.

Givet: $v=20$ m/s, $\mu =0,5$.

Hitta: $S_(\min) $-?

Lösning: Bilens bromssträcka kommer att ha ett minimivärde vid det maximala värdet av friktionskraften. Modulen för det maximala värdet av friktionskraften är lika med:

\[(F_(mp))_(\max ) =\mu mg\]

Kraftvektorn $F_(mp) $vid bromsning är riktad motsatt hastighetsvektorerna $\overline(v)_(0) $och förskjutningen $\overline(S)$.

Vid rätlinjig likformigt accelererad rörelse är projektionen av bilens förskjutning $S_(x) $ på axeln parallell med bilens hastighetsvektor $\overline(v)_(0) $ lika med:

När vi går vidare till modulerna för kvantiteter får vi:

Tidsvärdet kan hittas från villkoret:

\ \

Sedan för förskjutningsmodulen får vi:

$a=\frac((F_(mp))_(\max ) )(m) =\frac(\mu mg)(m) =\mu g$, sedan

$S_(\min ) =\frac(v_(0) ^(2) )(2\mu g) \ca 40$m.

Svar: $S_(\min ) =40$ m.

Exempel 2

Vilken kraft måste appliceras i horisontell riktning på ett diesellokomotiv som väger $8$t för att minska dess hastighet med $0,3$ m/s på $5$ sekunder? Friktionskoefficienten är $0,05.$

Givet: $m=8000$ kg, $\Delta v=0,3$ m/s, $\mu =0,05$.

Hitta: $F$-?

Figur 4.

Låt oss skriva ner kroppens rörelseekvation:

Låt oss projicera krafter och acceleration på x-axeln:

Eftersom $F_(mp) =\mu mg$ och $a=\frac(v-v_(0) )(t) =\frac(\Delta v)(t) $, får vi:

$F=m(\frac(\Delta v)(t) -\mu g)=3440$Н

Vad är friktionskoefficienten i fysiken och vad är det relaterat till? Hur beräknas detta värde? Vad är friktionskoefficienten numeriskt lika med? Vi kommer att ge svar på dessa och några andra frågor som tas upp av huvudämnet under artikelns gång. Naturligtvis kommer vi också att titta på specifika exempel där vi stöter på ett fenomen där friktionskoefficienten dyker upp.

Vad är friktion?

Friktion är en av de typer av interaktioner som sker mellan materiella kroppar. En friktionsprocess uppstår mellan två kroppar när de kommer i kontakt med en eller annan yta. Liksom många andra typer av interaktion existerar friktion enbart med hänsyn till Newtons tredje lag. Hur fungerar detta i praktiken? Låt oss ta två absolut vilka kroppar som helst. Låt dessa vara två medelstora träklossar.

Låt oss börja passera dem förbi varandra och skapa kontakt mellan områden. Du kommer att märka att det blir märkbart svårare att flytta dem i förhållande till varandra än att bara flytta dem i luften. Det är här friktionskoefficienten börjar spela sin roll. I det här fallet kan vi helt lugnt säga att friktionskraften kan beskrivas av Newtons tredje lag: den, applicerad på den första kroppen, kommer att vara lika numeriskt (i modul, som man gärna säger i fysiken) med samma friktionskraft appliceras på den andra kroppen. Men låt oss inte glömma att Newtons tredje lag har ett minus, som säger att krafterna, även om de är lika stora, är riktade åt olika håll. Således är friktionskraften vektor.

Friktionskraftens natur

Glidande friktionskraft

Tidigare sades det att om den yttre kraften överstiger ett visst maximalt värde som är tillåtet för motsvarande system, kommer kropparna som ingår i ett sådant system att börja röra sig i förhållande till varandra. Om en kropp rör sig, eller två, eller fler - allt detta spelar ingen roll. Det viktiga är att i detta fall uppstår en glidande friktionskraft. Om vi ​​talar om dess riktning, så är den riktad i motsatt riktning mot glidriktningen (eller rörelsens). Det beror på vilken relativ hastighet kropparna har. Men detta är om vi går in på olika typer av fysiska nyanser.

Det bör noteras att det i de flesta fall är vanligt att betrakta glidfriktionskraften som oberoende av hastigheten hos en kropp relativt en annan. Det har inte heller något att göra med det maximala värdet på den statiska friktionskraften. Ett stort antal fysiska problem löses med en liknande beteendemodell, vilket gör lösningsprocessen mycket lättare.

Vad är koefficienten för glidfriktion?

Detta är inget annat än en proportionalitetskoefficient, som finns i formeln som beskriver processen att applicera friktionskraft på en viss kropp. Koefficienten är en dimensionslös storhet. Det uttrycks med andra ord enbart i siffror. Det mäts inte i kilogram, meter eller något annat. I nästan alla fall är friktionskoefficienten numeriskt mindre än ett.

Vad beror det på?

Glidfriktionskoefficienten beror på två faktorer: på vilket material de kroppar som är i kontakt är gjorda av, och även på hur deras yta bearbetas. Den kan vara präglad, slät, eller så kan någon speciell substans appliceras på den, vilket antingen minskar eller ökar friktionen.

Hur riktas friktionskraften?

Den är riktad i motsatt riktning mot rörelseriktningen för två eller flera kroppar i kontakt. Riktningsvektorn appliceras längs tangentlinjen.

Om kontakt uppstår mellan ett fast ämne och en vätska

I händelse av att en fast kropp kommer i kontakt med en vätska (eller någon volym gas), kan vi prata om uppkomsten av en kraft av så kallad viskös friktion. Det kommer naturligtvis att vara numeriskt betydligt mindre än kraften av torr friktion. Men dess riktning (aktionsvektor) förblir densamma. Vid trögflytande friktion behöver man inte prata om vila.

Motsvarande kraft är relaterad till kroppens hastighet. Om hastigheten är liten kommer kraften att vara proportionell mot hastigheten. Om den är hög kommer den att vara proportionell mot kvadraten på hastigheten. Proportionalitetskoefficienten kommer att vara oupplösligt kopplad till formen på de kroppar mellan vilka kontakten sker.

Andra fall av friktionskraft

Denna process äger också rum när en kropp rullar. Men vanligtvis försummas de i problem, eftersom den rullande friktionskraften är väldigt, väldigt liten. Detta förenklar faktiskt processen att lösa motsvarande problem, men samtidigt upprätthåller en tillräcklig grad av noggrannhet för det slutliga svaret.

Inre friktion

Denna process kallas också inom fysiken med det alternativa ordet "viskositet". I själva verket representerar det en utlöpare av överföringsfenomen. Denna process är karakteristisk för flytande kroppar. Dessutom talar vi inte bara om vätskor, utan också om gasformiga ämnen. Viskositetens egenskap är att ge motstånd mot överföring av en del av ett ämne i förhållande till en annan. I detta fall utförs det arbete som krävs för att flytta partiklarna logiskt. Men det avleds i det omgivande utrymmet i form av värme.

Lagen som bestämmer kraften hos viskös friktion föreslogs av Isaac Newton. Detta hände 1687. Lagen bär fortfarande den store vetenskapsmannens namn. Men allt detta var bara i teorin, och experimentell bekräftelse erhölls först i början av 1800-talet. Motsvarande experiment utfördes av Coulomb, Hagen och Poiseuille.

Så den viskösa friktionskraften som påverkar vätskan är proportionell mot skiktens relativa hastighet, såväl som till området. Samtidigt är det omvänt proportionellt mot det avstånd på vilket skikten är belägna i förhållande till varandra. Den inre friktionskoefficienten är en proportionalitetskoefficient, som i detta fall bestäms av typen av gas eller flytande substans.

En annan koefficient kommer att bestämmas på ett liknande sätt, vilket inträffar i situationer med den relativa rörelsen av två strömmar. Detta är följaktligen den hydrauliska friktionskoefficienten.

Friktionskraften uppstår när den relativa rörelsen av två kroppar i kontakt. Friktionen som uppstår mellan olika kroppars ytor kallas yttre friktion. Om friktion uppstår mellan delar av samma kropp, så kallas det inre friktion.

Beroende på arten av den relativa rörelsen av kontaktande fasta kroppar, särskiljs de statisk friktion, glidfriktion Och rullande friktion.

Kraften av statisk friktion uppstår mellan orörliga fasta kroppar när det finns krafter som verkar i riktning mot kroppens möjliga rörelse.

Den statiska friktionskraften är alltid lika stor och riktad motsatt kraften parallell med kontaktytan och tenderar att sätta denna kropp i rörelse. En ökning av denna yttre kraft som appliceras på kroppen leder till en ökning av den statiska friktionskraften. Den statiska friktionskraften är riktad i motsatt riktning mot kroppens möjliga rörelse.

. (2.14)

Kraften av statisk friktion förhindrar att rörelsen börjar. Men det finns fall då kraften av statisk friktion orsakar en kropps rörelse. Till exempel en person som går. När man går ger den statiska friktionskraften som verkar på sulan oss acceleration. Sulan glider inte tillbaka, och därför är friktionen mellan den och vägen statisk friktion.

Glidande friktionskrafter, som uppstår när en kropp glider över en annan, riktas längs kropparnas kontaktyta i motsatt riktning mot rörelsen. För samma solida kroppar är glidfriktionskraften ungefär proportionell mot kraften som pressar en kropp mot en annan, dvs kraften från normaltrycket från en kropp på en annan, vinkelrätt mot ytan längs vilken dessa kroppar är i kontakt:

. (2.15)

Proportionalitetskoefficienten kallas glidfriktionskoefficienten, beroende på gnidytornas material och tillstånd. Vid lösning av många praktiska problem kan friktionskoefficienten betraktas som ett konstant värde med acceptabel noggrannhet.

Friktionskraft som verkar på en kropp i en vätska eller gas F v.tr, precis som friktionskraften mellan fasta ytor, är alltid riktad motsatt kroppens rörelseriktning och beror på kroppens hastighet. Vid tillräckligt låga hastigheter kan vi anta att friktionskraften är proportionell mot kroppens hastighet:

och vid höga hastigheter – till kvadraten av hastigheten:

(2.17)

Koefficienterna och beror på egenskaperna hos vätskan eller gasen och på formen och storleken på den rörliga kroppen.

Friktionskraften kan reduceras genom att ersätta glidning med rullning: med hjälp av hjul, rullar, kul- och rullager. Rullande friktionskoefficient tiotals gånger mindre än glidfriktionskoefficienten. Det är viktigt att rullfriktionskraften är omvänt proportionell mot rullkroppens radie. I detta avseende har fordon avsedda för körning på dåliga vägar (t.ex. terrängfordon) hjul med stor radie. Rullande friktionskraft F tr.k uttryckt med formeln:

, (2.18)

Var N- normal tryckkraft, R- radien för den rullande kroppen, μ - rullfriktionskoefficient.

Som noterats ovan riktas den glidande friktionskraften alltid i motsatt riktning mot rörelsehastigheten. Därför accelerationen som ges av friktionskraften

Friktion- processen för mekanisk interaktion mellan kontaktande kroppar under deras relativa förskjutning i kontaktplanet ( yttre friktion) eller med relativ förskjutning av parallella lager av vätska, gas eller deformerbart fast material ( inre friktion eller viskositet). I resten av denna artikel avser friktion endast yttre friktion. Studiet av friktionsprocesser är en gren av fysiken som kallas mekanik för friktionsinteraktion, eller tribologi.

Friktionskraft [ | ]

Friktion är en kraft som uppstår när två kroppar kommer i kontakt och hindrar deras relativa rörelse. Orsaken till friktionen är gnidningsytornas grovhet och växelverkan mellan molekylerna på dessa ytor. Friktionskraften beror på gnidytornas material och hur hårt dessa ytor pressas mot varandra. I de enklaste friktionsmodellerna (Coulombs lag för friktion) tror man att friktionskraften är direkt proportionell mot kraften från den normala reaktionen mellan gnidningsytorna. I allmänhet, på grund av komplexiteten hos de fysikaliska och kemiska processer som förekommer i interaktionszonen för gnidningskroppar, kan friktionsprocesser i grunden inte beskrivas med enkla modeller av klassisk mekanik.

Typer av friktionskraft[ | ]

I närvaro av relativ rörelse av två kontaktande kroppar kan friktionskrafterna som uppstår under deras interaktion delas in i:

Naturen av friktionsinteraktion[ | ]

Inom fysiken delas friktionsinteraktion vanligtvis in i:

• torr när interagerande fasta ämnen inte separeras av några ytterligare skikt/smörjmedel (inklusive fasta smörjmedel) - ett mycket sällsynt fall i praktiken, är ett karakteristiskt drag för torrfriktion närvaron av en betydande statisk friktionskraft;
• gräns när kontaktytan kan innehålla lager och områden av olika karaktär (oxidfilmer, vätska etc.) - det vanligaste fallet av glidfriktion;
• blandad när kontaktytan innehåller områden med torr och flytande friktion;
• flytande (viskös), under växelverkan mellan kroppar separerade av ett lager av fast (grafitpulver), vätska eller gas (smörjmedel) av varierande tjocklek - som regel inträffar det under rullande friktion, när fasta kroppar är nedsänkta i en vätska, mängden trögflytande friktion kännetecknas av mediets viskositet;
• elastohydrodynamisk(viskoelastisk), när inre friktion i smörjmedlet är av avgörande betydelse, uppstår med ökande relativa rörelsehastigheter.

Amonton-Coulombs lag[ | ]

Det huvudsakliga kännetecknet för friktion är friktionskoefficient μ (\displaystyle \mu) bestäms av materialen från vilka ytorna på interagerande kroppar är gjorda.

I de enklaste fallen friktionskraften F (\displaystyle F) och normal belastning (eller kraft vanligt reaktioner) N n o r m a l (\displaystyle N_(normal)) bunden av ojämlikhet

Amonton-Coulomb lag med hänsyn till vidhäftning[ | ]

För de flesta materialpar gäller friktionskoefficientvärdet μ (\displaystyle \mu) inte överstiger 1 och ligger i intervallet 0,1 - 0,5. Om friktionskoefficienten överstiger 1 (μ > 1) (\displaystyle (\mu >1)) Detta betyder att det finns en kraft mellan kontaktkropparna adhesion N a d h e s i o n (\displaystyle N_(vidhäftning)) och formeln för att beräkna friktionskoefficienten ändras till

Applikationsvärde[ | ]

Friktion i mekanismer och maskiner[ | ]

I de flesta traditionella mekanismer (förbränningsmotorer, bilar, växlar etc.) spelar friktion en negativ roll, vilket minskar mekanismens effektivitet. För att minska friktionskraften används olika naturliga och syntetiska oljor och smörjmedel. I moderna mekanismer används också sprutning av beläggningar (tunna filmer) på delar för detta ändamål. Med miniatyriseringen av mekanismer och skapandet av mikroelektromekaniska system (MEMS) och nanoelektromekaniska system (NEMS), ökar mängden friktion jämfört med krafterna som verkar i mekanismen och blir mycket betydande (μ ⩾ 1) (\displaystyle (\mu \geqslant 1)), och kan samtidigt inte reduceras med konventionella smörjmedel, vilket orsakar betydande teoretiskt och praktiskt intresse för ingenjörer och forskare inom detta område. För att lösa problemet med friktion skapas nya metoder för att minska den inom ramen för tribologi och ytvetenskap (Engelsk).

Ytgrepp[ | ]

Närvaron av friktion ger förmågan att röra sig längs ytan. Så när man går är det på grund av friktion att sulan fäster vid golvet, vilket resulterar i avstötning från golvet och framåtrörelse. På samma sätt säkerställs vidhäftning av hjulen på en bil (motorcykel) till vägytan. I synnerhet för att förbättra detta grepp utvecklas nya former och speciella typer av gummi för däck, och vingar installeras på racerbilar som pressar bilen fastare mot banan.

Vinkel och friktionskon. Många problem som involverar balansen av en kropp på en grov yta i närvaro av en friktionskraft kan bekvämt lösas geometriskt. För detta ändamål används begreppet vinkel och friktionskon.

Låt en fast kropp, under inverkan av aktiva krafter, befinna sig på en grov yta i ett begränsande jämviktstillstånd, d.v.s. ett sådant tillstånd när friktionskraften når sitt största värde vid ett givet värde på normalreaktionen (fig. 8.4). I detta fall avviker den totala reaktionen av den grova ytan från det normala till det gemensamma tangentplanet för gnidningsytorna med den största vinkeln.

Vinkeln φ mellan den grova kroppens totala reaktion och normalreaktionens riktning kallas friktionsvinkeln. Friktionsvinkeln φ beror på friktionskoefficienten, d.v.s.

därför är tanφ=ƒ, dvs. tangenten för friktionsvinkeln är lika med glidfriktionskoefficienten.

En friktionskon är en kon som beskrivs av en fullständig reaktion runt den normala reaktionens riktning. Det kan erhållas genom att ändra de aktiva krafterna så att kroppen på en grov yta befinner sig i de begränsande jämviktspositionerna, försöka ta sig ur jämvikt i alla möjliga riktningar som ligger i kontaktytornas gemensamma tangentplan. Om friktionskoefficienten är densamma i alla riktningar är friktionskonen cirkulär.

Om det inte är detsamma, är friktionskonen inte cirkulär, till exempel i fallet när egenskaperna hos kontaktytorna är olika (på grund av en viss riktning av fibrerna eller beroende på bearbetningsriktningen för ytan av kropparna, om bearbetningen sker på en hyvelmaskin etc.).

För att en kropp ska balanseras på en grov yta är det nödvändigt och tillräckligt att verkningslinjen för de resulterande aktiva krafterna som verkar på kroppen passerar inuti friktionskonen eller, i gränstillståndet, längs dess generatris genom dess spets (fig. 8.5).

En kropp kan inte störas av någon aktiv kraftmodul om dess verkningslinje passerar inuti friktionskonen, d.v.s. a<φ.

Om verkningslinjen för de resulterande aktiva krafterna inte passerar inuti friktionskonen eller längs dess generatris, dvs. a> φ (fig. 8.5), då kan kroppen på en grov yta inte vara i jämvikt, Q> F.

Uppgift 1. En kropp som ligger på en grov horisontell yta påverkas av en kraft i vinkel A= 10°. Bestäm om kroppen kommer att lämna jämviktspositionen om friktionskoefficienten f= 0,2 (fig. 4).

Lösning. För ett balanserat plansystem av konvergerande krafter kan två jämviktsekvationer konstrueras:

Hitta från (2)

,

.

Sedan dess , eller . Sedan .

Eftersom kraften appliceras i en vinkel som är mindre än friktionsvinkeln kommer kroppen inte att lämna sitt jämviktsläge.

Uppgift 2. Kropp som väger 100 N hålls på ett grovt lutande plan med våld T(Fig. 5). Glidfriktionskoefficient mellan kroppen och planet f= 0,6. Bestäm kraftvärdet T när en kropp är i jämvikt på ett plan, om a= 45°.

Lösning. Det finns två möjliga fall av begränsande jämvikt hos en kropp och följaktligen två gränsvärden för kraft T med två riktningar av friktionskraft:

,

där är en koefficient som tar hänsyn till rörelseriktningen = ±1.

Låt oss sammanställa två jämviktsekvationer för ett plan godtyckligt kraftsystem.