Jeder von uns kennt die Erscheinungsform der Reibungskraft. Tatsächlich ist jede Bewegung im Alltag, sei es das Gehen einer Person oder das Bewegen eines Fahrzeugs, ohne die Beteiligung dieser Kraft unmöglich. In der Physik ist es üblich, drei Arten von Reibungskräften zu untersuchen. In diesem Artikel werden wir einen von ihnen betrachten und herausfinden, was Haftreibung ist.
Balken auf einer horizontalen Fläche
Bevor wir mit der Beantwortung der Fragen fortfahren, was ist die Haftreibungskraft und wie groß ist sie, betrachten wir einen einfachen Fall mit einem Stab, der auf einer horizontalen Fläche liegt.
Lassen Sie uns analysieren, welche Kräfte auf die Stange wirken. Das erste ist das Gewicht des Artikels selbst. Bezeichnen wir es mit dem Buchstaben P. Es ist senkrecht nach unten gerichtet. Zweitens ist dies die Reaktion des Trägers N. Er ist senkrecht nach oben gerichtet. Das zweite Newtonsche Gesetz für den betrachteten Fall wird in der folgenden Form geschrieben:
ma=P - N.
Das Minuszeichen spiegelt hier die entgegengesetzten Richtungen der Gewichts- und Stützreaktionsvektoren wider. Da der Block in Ruhe ist, ist der Wert von a Null. Letzteres bedeutet:
P - N=0=>
P=N.
Die Reaktion der Stütze gleicht das Körpergewicht aus und ist diesem absolut gleich.
Äußere Kraft, die auf einen Stab auf einer horizontalen Fläche einwirkt
Jetzt fügen wir der oben beschriebenen Situation eine weitere wirkende Kraft hinzu. Nehmen wir an, eine Person beginnt, einen Block entlang einer horizontalen Fläche zu schieben. Bezeichnen wir diese Kraft mit dem Buchstaben F. Man kann eine erstaunliche Situation feststellen: Wenn die Kraft F klein ist, bleibt der Stab trotz seiner Wirkung weiterhin auf der Oberfläche. Das Gewicht des Körpers und die Reaktion des Trägers sind senkrecht zur Oberfläche gerichtet, sodass ihre horizontalen Projektionen gleich Null sind. Mit anderen Worten, die Kräfte P und N können F in keiner Weise entgegenwirken. Warum bleibt dann der Stab in Ruhe und bewegt sich nicht?
Offensichtlich muss es eine Kraft geben, die gegen die Kraft F gerichtet ist. Diese Kraft ist die Haftreibung. Es ist entlang einer horizontalen Fläche gegen F gerichtet. Es wirkt im Kontaktbereich zwischen Stabunterkante und Untergrund. Bezeichnen wir es mit dem Symbol Ft. Das Newtonsche Gesetz für die horizontale Projektion wird geschrieben als:
F=Ft.
Daher ist der Betrag der Haftreibungskraft immer gleich dem Absolutwert der entlang der horizontalen Fläche wirkenden äußeren Kräfte.
Beginn der Balkenbewegung
Um die Formel für die Haftreibung aufzuschreiben, setzen wir das Experiment fort, das in den vorherigen Absätzen des Artikels begonnen wurde. Wir erhöhen den Absolutwert der äußeren Kraft F. Der Balken bleibt noch einige Zeit in Ruhe, aber irgendwann beginnt er sich zu bewegen. An diesem Punkt erreicht die Haftreibungskraft ihren Maximalwert.
Um diesen Maximalwert zu finden, nimm einen weiteren Balken, der genau dem ersten entspricht, und lege ihn oben drauf. Die Kontaktfläche der Stange mit der Oberfläche hat sich nicht geändert, aber ihr Gewicht hat sich verdoppelt. Es wurde experimentell festgestellt, dass sich auch die Kraft F des Ablösens des Stabs von der Oberfläche verdoppelte. Diese Tatsache ermöglichte es, die folgende Formel für die Haftreibung zu schreiben:
Ft=µsP.
Das heißt, der Maximalwert der Reibungskraft stellt sich als proportional zum Gewicht des Körpers P heraus, wobei der Parameter µs als Proportionalitätskoeffizient wirkt. Der Wert µs wird Haftreibungskoeffizient genannt.
Da das Körpergewicht im Versuch gleich der Auflagerreaktionskraft N ist, lässt sich die Formel für Ft wie folgt umschreiben:
Ft=µsN.
Im Gegensatz zum vorherigen kann dieser Ausdruck immer verwendet werden, auch wenn sich der Körper auf einer schiefen Ebene befindet. Der Betrag der Haftreibungskraft ist direkt proportional zur Auflagerreaktionskraft, mit der die Oberfläche auf den Körper einwirkt.
Physikalische Kraftursachen Ft
Die Frage, warum statische Reibung auftritt, ist komplex und erfordert die Betrachtung des Kontakts zwischen Körpern auf mikroskopischer und atomarer Ebene.
Im Allgemeinen gibt es zwei physikalische Ursachen für Gew altFt:
- Mechanische Interaktion zwischen Spitzen und Tälern.
- Physikalisch-chemische Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen von Körpern.
Egal wie glatt eine Oberfläche ist, sie weist Unregelmäßigkeiten und Inhomogenitäten auf. Grob lassen sich diese Inhomogenitäten als mikroskopische Spitzen und Täler darstellen. Wenn die Spitze eines Körpers in den Hohlraum eines anderen Körpers fällt, tritt eine mechanische Kopplung zwischen diesen Körpern auf. Eine große Anzahl mikroskopisch kleiner Kopplungen ist einer der Gründe für das Auftreten von Haftreibung.
Der zweite Grund ist die physikalische und chemische Wechselwirkung zwischen den Molekülen oder Atomen, aus denen der Körper besteht. Es ist bekannt, dass, wenn sich zwei neutrale Atome einander nähern, einige elektrochemische Wechselwirkungen zwischen ihnen auftreten können, beispielsweise Dipol-Dipol- oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Im Moment des Beginns der Bewegung ist die Stange gezwungen, diese Wechselwirkungen zu überwinden, um sich von der Oberfläche zu lösen.
Merkmale der Ft-Stärke
Oben wurde bereits vermerkt, was die maximale Haftreibungskraft ist, und auch ihre Wirkungsrichtung ist angegeben. Hier führen wir weitere Merkmale der Größe Ft. auf
Die Ruhereibung ist unabhängig von der Kontaktfläche. Sie wird allein durch die Reaktion des Trägers bestimmt. Je größer die Kontaktfläche, desto geringer die Deformation mikroskopischer Erhebungen und Täler, desto größer aber ihre Anzahl. Diese intuitive Tatsache erklärt, warum sich das maximale Ftt nicht ändert, wenn der Balken mit dem kleineren an den Rand gedreht wirdBereich.
Ruhereibung und Gleitreibung sind von gleicher Natur, beschrieben durch die gleichen Formeln, aber die zweite ist immer kleiner als die erste. Gleitreibung tritt auf, wenn sich der Block entlang der Oberfläche zu bewegen beginnt.
Force Ft ist in den meisten Fällen eine unbekannte Größe. Die oben angegebene Formel dafür entspricht dem Maximalwert von Ft in dem Moment, in dem sich der Balken zu bewegen beginnt. Um diese Tatsache besser zu verstehen, ist unten ein Diagramm der Abhängigkeit der Kraft Ft von der äußeren Einwirkung F.
Es ist zu erkennen, dass mit zunehmendem F die Haftreibung linear ansteigt, ein Maximum erreicht und dann abnimmt, wenn sich der Körper zu bewegen beginnt. Während der Bewegung kann nicht mehr von der Kraft Ft gesprochen werden, da sie durch Gleitreibung ersetzt wird.
Die letzte wichtige Eigenschaft der Ft-Stärke ist schließlich, dass sie nicht von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängt (bei relativ hohen Geschwindigkeiten ist Ftverringert).
Reibwert µs
Da µs in der Formel für den Reibungsmodul auftaucht, seien einige Worte dazu gesagt.
Der Reibungskoeffizient µs ist eine einzigartige Eigenschaft der beiden Oberflächen. Sie hängt nicht vom Körpergewicht ab, sie wird experimentell ermittelt. Beispielsweise variiert er für ein Baum-Baum-Paar zwischen 0,25 und 0,5, je nach Baumart und Qualität der Oberflächenbehandlung der Schleifkörper. Für gewachste Holzoberflächen aufnasser Schnee µs=0,14, und für menschliche Gelenke nimmt dieser Koeffizient sehr niedrige Werte an (≈0,01).
Wie groß µs auch immer für die betrachtete Materialpaarung ist, es wird immer ein ähnlicher Gleitreibungskoeffizient µk sein kleiner. Wenn Sie beispielsweise einen Baum auf einen Baum schieben, ist es gleich 0,2 und für menschliche Gelenke überschreitet es 0,003 nicht.
Als nächstes betrachten wir die Lösung zweier physikalischer Probleme, bei denen wir das erworbene Wissen anwenden können.
Stab auf geneigter Fläche: Kraftberechnung Ft
Die erste Aufgabe ist ganz einfach. Nehmen wir an, ein Holzklotz liegt auf einer Holzfläche. Seine Masse beträgt 1,5 kg. Die Oberfläche ist in einem Winkel von 15o zum Horizont geneigt. Die Ermittlung der Haftreibungskraft ist erforderlich, wenn bekannt ist, dass sich der Stab nicht bewegt.
Der Haken an diesem Problem ist, dass viele Leute damit beginnen, die Reaktion des Trägers zu berechnen, und dann die Referenzdaten für den Reibungskoeffizienten verwenden Formel zur Bestimmung des Maximalwerts von F t. In diesem Fall ist Ft jedoch nicht das Maximum. Sein Modul ist nur gleich der äußeren Kraft, die dazu neigt, den Stab von seinem Platz in der Ebene nach unten zu bewegen. Diese Kraft ist:
F=mgsin(α).
Dann ist die Reibungskraft Ft gleich F. Wenn wir die Daten in Gleichheit setzen, erh alten wir die Antwort: die Haftreibungskraft auf einer schiefen Ebene F t=3,81 Newton.
Balken auf geneigter Fläche: Berechnungmaximaler Neigungswinkel
Nun lösen wir folgendes Problem: Ein Holzklotz liegt auf einer hölzernen schiefen Ebene. Unter der Annahme eines Reibungskoeffizienten von 0,4 muss der maximale Neigungswinkel α der Ebene zum Horizont ermittelt werden, bei dem die Stange zu gleiten beginnt.
Das Gleiten beginnt, wenn die Projektion des Körpergewichts auf die Ebene gleich der maximalen Haftreibungskraft wird. Schreiben wir die entsprechende Bedingung:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Indem wir den Wert µs=0, 4 in die letzte Gleichung einsetzen, erh alten wir α=21, 8o.
