Siła tarcia

Siła tarcia jest siłą bierną, tzn., że pojawia się kiedy na stykające się ciała zaczynają działać siły równoległe do podłoża. Rozważmy przypadek, w którym przesuwamy szafę (rys. 1) Q-ciężar ciała, równy naciskowi(N), bo ciało jest na płaskiej powierzchni, Fr-siła reakcji podłoża.


rys.1                               Rys. 2 odcinek nachylony- tarcie statyczne, odcinek równoległy do osi F- tarcie dynamiczne

Człowiek działa na szafę taką siłą F, że pod jej wpływem szafa się nie przesuwa. Dzieje się tak ponieważ w chwili, kiedy człowiek przyłożył siłę F pojawiła się siła tarcia T równa co dowartości sile F, lecz zawsze przeciwnie skierowaną do jej zwrotu F=T. Załóżmy, że człowiek zwiększa przyłożoną do szafy siłę F (ale tak, że szafa wciąż pozostaje w spoczynku), wtedy siła tarcia także wzrasta i wciąż będzie spełniona równość F=T. Siłę tarcia, która działa na ciało nie będące w ruchu nazywamy tarciem statycznym lub spoczynkowym. A teraz przyjrzyjmy się momentowi, w którym człowiek przyłożył taką siłę, że ciało zaczęło się przemieszczać. Siła tarcia statycznego osiągnęła w tym momencie mamksymalną wartość, po czym siła racia uległa zmniejszeniu- ta siła to tarcie dynamiczne lub poślizgowe, do którego wrócimy później. Na wykresie (rys. 2) pokazano jak zmienia się wartość siły tarcia T w zależności od przyłożonej siły F.

Siła tarcia statycznego zależy od rodzaju podłoża (a właściwie rodzaju stykających się powierzchni) oraz siły nacisku (na równym podłożu jest równa ciężarowi, N=Q, inaczej rzecz się przedstawia na równi pochyłej). Wzór na maksymalne tarcie statyczne, czyli wartość siły tarcia, po której przekroczeniu ciało ruszy z miejsca to: Tmax=f0N, gdzie f0- współczynnik tarcia statycznego.

Kiedy siła F przekroczy wartość Tmax to ruchowi ciała przeciwdziała zawsze mniejsze tarcie posiadające stałą wartość, bez względu na prędkość ciała- tarcie poślizgowe (dynamiczne). Wzór wyrażający jego wartość jest podobny do wzoru na tarcie statyczne: T=fN, ale f- jest współczynnikiem tarcia dynamicznego, zazwyczaj jest mniejszy niż współczynnik tarcia statycznego.

Równia pochyła

Rozważmy jakie siły towarzyszą ciału znajdującemu się na rówi pochyłej o wysokości h, długości równi l, długości podstawy x i kącie nachylenia a, kiedy ciało zacznie się zsuwać i dlaczego.

rozkład sił na równi pochyłej
Ciało znajdujące się na równi pochyłej działa siłą ciężkości Q, której wektor skierowany jest prostopadle do podłoża. Rozłużmy wektor siły Q na składowe:
- siła nacisku N, skierowana zawsze prostopadle do powierzchni równi
- siła powodująca zsuwanie ciała Fs, której wektor jest równoległy do powierzchni równi

Ponadto występują jeszcze siły FR- siła reakcji podłoża, która równoważy siłę nacisku N oraz siła tarcia – przeciwnie skierowana do siły Fs i równa jej jeżeli ciało nie zsuwa się z równi.

Kąt jaki tworzy ze sobą siła nacisku N i ciężar Q jest zawsze taki sam jak kąt nachylenia równi (ponieważ trójkąt xhl jest podobny do trójkąta NFsQ), więc dysponując ciężarem i kątem nachylenia równi pochyłej możemy wyliczyć każdą siłę. I tak:
sina=Fs/Q, czyli Fs=Qsina
cosa=N/Q, czyli N=Qcosa

Ponadto prawdziwe są proporcje:
N/Q=x/l
, z twierdzenia Pitagorasa , więc

oraz

Pozostaje nam jeszcze jedna siła- siła tarcia. Jeżeli ciało na równi pozostaje w spoczynku to siła tarcia jest równa sile zsuwania. Dzięki temu za pomocą równi możemy obliczać współczynniki tarcia statycznego. Aby to zrobić należy umieścić ciało na równi o jak największym kącie nachylenia, przy czym ciało nie może się przemieszczać! Wtedy Fs=Tmax (Tmax-maksymalna wartość tarcia statycznego), wiemy też, że:
Tmax=f0N, więc:
Fs=f0N, i tak otrzymujemy
f0=Fs/N
Korzystając z wcześniej wyprowadzonych wzorów otrzymujemy:
f0=Qsina/Qcosa, co po przekształceniu daje:
f0=tga

Leave a Reply