In einem speziellen Abschnitt der Physik - Dynamik, wenn sie die Bewegung von Körpern studieren, betrachten sie die Kräfte, die auf das sich bewegende System einwirken. Letztere können sowohl positive als auch negative Arbeit leisten. Betrachten Sie in diesem Artikel, was die Arbeit der Reibungskraft ist und wie sie berechnet wird.
Arbeitsbegriff in der Physik
In der Physik unterscheidet sich der Begriff "Arbeit" von der gewöhnlichen Vorstellung dieses Wortes. Unter Arbeit wird eine physikalische Größe verstanden, die gleich dem Skalarprodukt aus dem Kraftvektor und dem Wegvektor des Körpers ist. Angenommen, es gibt ein Objekt, auf das die Kraft F¯ wirkt. Da keine anderen Kräfte auf ihn einwirken, fällt sein Verschiebungsvektor l¯ in Richtung mit dem Vektor F¯ zusammen. Das Skalarprodukt dieser Vektoren entspricht in diesem Fall dem Produkt ihrer Module, also:
A=(F¯l¯)=Fl.
Der Wert A ist die Arbeit, die von der Kraft F¯ verrichtet wird, um das Objekt um die Strecke l zu bewegen. Unter Berücksichtigung der Dimensionen der Werte F und l stellen wir fest, dass die Arbeit im SI-System in Newton pro Meter (Nm) gemessen wird. Allerdings die EinheitNm hat einen eigenen Namen - es ist ein Joule. Das bedeutet, dass der Begriff der Arbeit derselbe ist wie der Begriff der Energie. Mit anderen Worten, wenn eine Kraft von 1 Newton einen Körper 1 Meter weit bewegt, dann betragen die entsprechenden Energiekosten 1 Joule.
Was ist die Reibungskraft?
Die Untersuchung der Frage nach der Arbeit der Reibungskraft ist möglich, wenn Sie wissen, um welche Art von Kraft es sich handelt. Reibung in der Physik ist ein Prozess, der jede Bewegung eines Körpers auf der Oberfläche eines anderen verhindert, wenn diese Oberflächen in Kontakt gebracht werden.
Wenn wir nur feste Körper betrachten, dann gibt es für sie drei Arten von Reibung:
- ruhe;
- slip;
- rollend.
Diese Kräfte wirken zwischen sich berührenden Flächen und sind immer gegen die Bewegung von Körpern gerichtet.
Ruhereibung verhindert die Bewegung selbst, Gleitreibung äußert sich im Bewegungsablauf, wenn die Oberflächen von Körpern übereinander gleiten, und Rollreibung besteht zwischen dem Körper, der auf der Oberfläche rollt, und der Oberfläche selbst.
Ein Beispiel für die Haftreibung ist ein Auto, das an einem Hang mit der Handbremse steht. Gleitreibung tritt auf, wenn sich ein Skifahrer auf Schnee oder ein Skater auf Eis bewegt. Schließlich wirkt die Rollreibung, während sich das Autorad auf der Straße bewegt.
Die Kräfte für alle drei Reibungsarten werden nach folgender Formel berechnet:
Ft=µtN.
Hierbei ist N die Auflagerreaktionskraft, µt der Reibungskoeffizient. N erzwingenzeigt die Größe des Aufpralls des Trägers auf den Körper senkrecht zur Ebene der Oberfläche. Was den Parameter µt betrifft, so wird er experimentell für jedes Paar reibender Materialien gemessen, zum Beispiel Holz-Holz, Stahl-Schnee und so weiter. Die Messergebnisse werden in speziellen Tabellen gesammelt.
Für jede Reibungskraft hat der Koeffizient µt einen eigenen Wert für die gewählte Materialpaarung. Somit ist der Haftreibungskoeffizient um mehrere zehn Prozent größer als der Gleitreibungskoeffizient. Der Rollkoeffizient wiederum ist um 1-2 Größenordnungen geringer als beim Gleiten.
Reibungsarbeit
Jetzt, nachdem Sie sich mit den Arbeitskonzepten und den Reibungsarten vertraut gemacht haben, können Sie direkt zum Thema des Artikels gehen. Betrachten wir der Reihe nach alle Arten von Reibungskräften und finden heraus, welche Arbeit sie leisten.
Fangen wir mit der Haftreibung an. Dieser Typ manifestiert sich, wenn sich der Körper nicht bewegt. Da keine Bewegung stattfindet, ist sein Verschiebungsvektor l¯ gleich Null. Letzteres bedeutet, dass auch die Arbeit der Haftreibungskraft gleich Null ist.
Gleitreibung wirkt definitionsgemäß nur, wenn sich der Körper im Raum bewegt. Da die Kraft dieser Art von Reibung immer gegen die Bewegung des Körpers gerichtet ist, bedeutet dies, dass er negative Arbeit verrichtet. Der Wert von A kann mit der Formel berechnet werden:
A=-Ftl=-µtNl.
Die Arbeit der Gleitreibungskraft zielt darauf ab, die Bewegung des Körpers zu verlangsamen. Als Ergebnis dieser Arbeit wird die mechanische Energie des Körpers in Wärme umgewandelt.
Rollreibung, wie Gleiten, beinh altet auch Körperbewegungen. Die Rollreibungskraft leistet negative Arbeit und verlangsamt die anfängliche Drehung des Körpers. Da wir über die Rotation des Körpers sprechen, ist es bequem, den Wert der Arbeit dieser Kraft durch die Arbeit ihres Impulses zu berechnen. Die entsprechende Formel wird geschrieben als:
A=-Mθ wobei M=FtR.
Hierbei ist θ der Rotationswinkel des Körpers infolge der Rotation, R der Abstand von der Oberfläche zur Rotationsachse (Radradius).
Problem mit Gleitreibungskraft
Es ist bekannt, dass ein Holzklotz auf der Kante einer schiefen Holzebene liegt. Die Ebene ist in einem Winkel von 40o zum Horizont geneigt. Da der Gleitreibungskoeffizient 0,4 beträgt, die Länge des Flugzeugs 1 Meter beträgt und die Masse der Stange 0,5 kg entspricht, muss die Gleitreibungsarbeit ermittelt werden.
Berechnen Sie die Gleitreibungskraft. Es ist gleich:
Ft=mgcos(α)µt=0.59.81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Dann ist das entsprechende Werk A:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Rollreibungsproblem
Es ist bekannt, dass das Rad eine Strecke entlang der Straße rollte und stehen blieb. Der Durchmesser des Rads beträgt 45 cm, die Anzahl der Umdrehungen des Rads vor dem Stoppen beträgt 100. Unter Berücksichtigung des Rollkoeffizienten von 0,03 muss ermittelt werden, wie groß die Arbeit der Rollreibungskraft ist. Die Masse des Rades beträgt 5 kg.
Berechnen wir zuerst das Rollreibungsmoment:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Wenn man die Anzahl der Radumdrehungen mit 2pi im Bogenmaß multipliziert, erhält man den Raddrehwinkel θ. Dann lautet die Formel für die Arbeit:
A=-Mθ=-M2pin.
Wobei n die Anzahl der Umdrehungen ist. Durch Ersetzen des Moments M und der Zahl n aus der Bedingung erh alten wir die erforderliche Arbeit: A=- 207,87 J.
