FRIKTION: TYPER, KOEFFICIENT, BERÄKNING, ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

Den friktion är motstånd mot rörelse av en yta är i kontakt med en annan. Det är ett ytfenomen som uppstår mellan fasta, flytande och gasformiga material. Motståndskraften tangentiell till två ytor i kontakt, som motsätter sig riktningen för den relativa förskjutningen mellan nämnda ytor, kallas också friktionskraften eller friktionskraften 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, bromsar den ner och kan till och med stoppa den.

Friktion

Friktionskraften kan representeras grafiskt av kraftdiagrammet för en kropp i kontakt med en yta. I detta diagram friktionskraften F _r dras motstående komponenten av den kraft som appliceras på kroppen tangentiellt till ytan.

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

Friktion uppstår eftersom det finns mikroskopiska råheter mellan ytorna i kontakt. När man försöker flytta en yta över den andra, uppstår friktion mellan grovheterna som förhindrar fri rörelse vid gränssnittet. I sin tur uppstår energiförluster i form av värme som inte används för att förflytta kroppen.

Typer friktion

Det finns två huvudtyper av friktion: Coulomb-friktion eller torr friktion och vätskefriktion.

-Coulomb-friktion

Coulomb-friktion motverkar alltid kroppens rörelse och är indelad i två typer av friktion: statisk friktion och kinetisk (eller dynamisk) friktion.

Vid statisk friktion finns det ingen rörelse av kroppen på ytan. Den applicerade kraften är mycket låg och räcker inte för att övervinna friktionskraften. Friktion har ett maximivärde som är proportionellt mot normalkraften och kallas den statiska friktionskraften F _re .

Den statiska friktionskraften definieras som den maximala kraften som motstår början av kroppens rörelse. När den applicerade kraften överskrider den statiska friktionskraften, förblir den på sitt maximala värde.

Kinetisk friktion verkar när kroppen redan är i rörelse. Kraften som krävs för att hålla kroppen rörlig med friktion kallas den kinetiska friktionskraften 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 röra sig än att försöka göra det i vila.

Coulombs lagar om friktion

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

-Fluid friktion

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

Fluidfriktion hänvisar också till motståndet hos en fluid att strömma i kontakt med fluidlager av samma eller ett annat material, och är beroende av fluidens hastighet och viskositet. Viskositet är måttet på motståndet mot rörelse av en vätska.

-Stokes friktion

Stokes-friktion är en typ av fluidfriktion där sfäriska partiklar nedsänkta i en viskös vätska, i laminärt flöde, upplever en friktionskraft som bromsar deras rörelse på grund av fluktuationer i vätskans molekyler.

Stokes friktion

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

Friktionskoefficienter

Enligt Coulombs första friktionslag erhålls friktionskoefficienten μ från förhållandet mellan friktionskraften och kraften som är normal till kontaktytan.

Koefficienten μ är en måttlös kvantitet, eftersom det är ett förhållande mellan två krafter, som beror på arten och behandlingen av materialen i kontakt. Generellt är friktionskoefficientens värde mellan 0 och 1.

Statisk friktionskoefficient

Statisk friktionskoefficient är den proportionalitetskonstant som finns mellan kraften som förhindrar rörelse av en kropp i vilotillstånd på en kontaktyta och den normala kraften mot ytan.

Kinetisk friktionskoefficient

Den kinetiska friktionskoefficienten är den proportionalitetskonstant som finns mellan kraften som begränsar rörelsen hos en kropp som rör sig på en yta och den normala kraften mot ytan.

Statisk friktionskoefficient är större än kinetisk friktionskoefficient.

Elastisk friktionskoefficient

Den elastiska friktionskoefficienten härleds från friktionen mellan kontaktytorna av elastiska, mjuka eller grova material som deformeras av applicerade krafter. Friktion motsätter sig den relativa rörelsen mellan två elastiska ytor och förskjutningen åtföljs av en elastisk deformation av materialets ytlager.

Friktionskoefficienten som erhålls under dessa förhållanden beror på graden av ytråhet, de fysiska egenskaperna hos materialen i kontakt och storleken på den tangentiella komponenten i skjuvkraften vid gränssnittet mellan materialen.

Molekylär friktionskoefficient

Molekylfriktionskoefficienten erhålls från kraften som begränsar rörelsen hos en partikel som glider på en slät yta eller genom en vätska.

Hur beräknas friktion?

Friktionskraften på fasta gränssnitt beräknas med ekvationen F _r = μN

Att ersätta viktekvationen i friktionskraftsekvationen ger:

Egenskaper hos det normala

När ett föremål är i vila på en plan yta, är den normala kraften den som utövas av ytan på kroppen, och den motsätter sig kraften på grund av tyngdkraft, enligt Newtons lag och handling.

Normalkraften verkar alltid vinkelrätt mot ytan. På en lutande yta minskar normalen när mager vinkel ökar och pekar i en vinkelrätt riktning bort från ytan, medan vikten pekar vertikalt nedåt. Ekvationen för normalkraften på en lutande yta är:

θ = lutningsvinkeln för kontaktytan.

Lutande planfriktion

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

När den applicerade kraften ökar närmar sig det maximala värdet på friktionskraften, detta värde är det som motsvarar den statiska friktionskraften. När F = F _re är den statiska friktionskraften:

Och statisk friktionskoefficient erhålls genom tangenten för lutningsvinkeln θ.

Lösta övningar

-Friktionskraft för ett föremål vilande på en horisontell yta

En 15Kg-låda placerad på en horisontell yta skjuts av en person som tillämpar en kraft av 50 Newton längs en yta för att få den att röra sig och applicerar sedan en kraft på 25 N för att hålla rutan i rörelse med konstant hastighet. Bestäm koefficienterna för statisk och kinetisk friktion.

Ruta som rör sig på horisontell yta

Lösning: Med värdet på den kraft som appliceras för att flytta lådan _erhålls statisk friktionskoefficient μ _e .

Normalkraften N till ytan är lika med lådans vikt, så N = mg

I detta fall är μ _e = 50New / 147New

Kraften som appliceras för att hålla boxens hastighet konstant är den kinetiska friktionskraften som är lika med 25New.

Den kinetiska friktionskoefficienten erhålls med ekvationen μ _c = F _rc / N

-Friktionskraft för ett föremål under verkan av en kraft med lutningsvinkel

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

Lösning: Frikroppsdiagrammet representerar den applicerade kraften och dess vertikala och horisontella komponenter.

Fri kroppsdiagram

Den applicerade kraften gör en vinkel på 30 ° med den horisontella ytan. Den vertikala komponenten i kraften ökar den normala kraften som påverkar kraften i statisk friktion. Rutan rör sig när den horisontella komponenten av den applicerade kraften överskrider det maximala värdet på friktionskraften F _re . Att jämföra den horisontella komponenten av kraften med den av statisk friktion ger:

normal styrka

Normalkraften är inte längre kroppens vikt på grund av kraftens vertikala komponent.

Enligt Newtons andra lag är summan av krafterna som verkar på lådan på den vertikala axeln noll, därför är den vertikala komponenten för acceleration a _y = 0. Normalkraften erhålls från summan

Genom att ersätta ekvationen i ekvationen erhålls följande:

-Fiktion i ett rörligt fordon

Ett 1,5 ton fordon reser på en rak och horisontell väg med en hastighet av 70 km / h. Föraren ser hinder på vägen på ett visst avstånd som tvingar honom att bromsa kraftigt. Efter bromsning glider fordonet en kort stund tills det stoppar. Om friktionskoefficienten mellan däcken och vägen är 0,7; bestäm följande:

1. Vad är friktionsvärdet när fordonet är på väg?
2. Fordons retardation
3. Avståndet körs av fordonet från när det bromsar till när det stannar.

Fordonets friktionskraft när det glider är:

= 10290 Nytt

Avsnitt b

Friktionskraften påverkar avmattningen av fordonet när det glider.

Genom att tillämpa Newtons andra lag uppnås värdet på retardationen genom att lösa för ekvationen F = ma

Avsnitt c

Fordonets initiala hastighet är v ₀ = 70 km / h = 19,44 m / s

När fordonet slutar är dess sluthastighet v _f = 0 och retardationen är a = - 6,86m / s ²

Avståndet som körs av fordonet, från när det bromsar till när det stannar, erhålls genom att lösa för d från följande ekvation:

Fordonet kör 27,54 m avstånd innan det stannar.

1. Beräkningar av friktionskoefficienten under elastiska kontaktförhållanden. Mikhin, N M. 2, 1968, Soviet Materials Science, vol. 4, sid. 149-152.
2. Blau, P J. Friction Science and Technology. Florida, USA: CRC Press, 2009.
3. Förhållandet mellan vidhäftnings- och friktionskrafterna. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung och Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, pp. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force and Motion. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Principer och tillämpningar av tribologi. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, CS och Purohit, K. Teori om mekanismer och maskiner. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.