Die Reibungskraft ist eine physikalische Größe, die jede Bewegung des Körpers verhindert. Sie tritt in der Regel auf, wenn sich Körper in fester, flüssiger und gasförmiger Materie bewegen. Verschiedene Arten von Reibungskräften spielen im menschlichen Leben eine wichtige Rolle, da sie eine übermäßige Beschleunigung von Körpern verhindern.
Klassifizierung der Reibungskräfte
Im Allgemeinen werden alle Arten von Reibungskräften durch drei Arten beschrieben: die Reibungskraft des Gleitens, Rollens und Ruhens. Der erste ist statisch, die anderen beiden sind dynamisch. Ruhereibung verhindert, dass sich der Körper in Bewegung setzt, beim Gleiten wiederum entsteht Reibung, wenn der Körper während seiner Bewegung an der Oberfläche eines anderen Körpers reibt. Rollreibung entsteht, wenn sich ein rundes Objekt bewegt. Nehmen wir ein Beispiel. Ein markantes Beispiel des Typs (Rollreibungskraft) ist die Bewegung von Autorädern auf Asph alt.
Die Natur der Reibungskräfte ist das Vorhandensein mikroskopisch kleiner Fehler zwischen den Reibflächen zweier Körper. Aus diesem Grund wirkt die resultierende Kraft aufB. ein Objekt, das sich bewegt oder in Bewegung setzt, besteht aus der Summe der Kraft der normalen Reaktion des Trägers N, die senkrecht zur Oberfläche der berührenden Körper gerichtet ist, und der Reibungskraft F. Letztere ist parallel zu der gerichtet Kontaktfläche und ist der Bewegung des Körpers entgegengerichtet.
Reibung zwischen zwei Festkörpern
Bei der Betrachtung der Problematik unterschiedlicher Arten von Reibungskräften wurden für zwei Festkörper folgende Muster beobachtet:
- Die Reibungskraft ist parallel zur Auflagefläche gerichtet.
- Der Reibungskoeffizient hängt von der Art der Kontaktflächen sowie von deren Zustand ab.
- Maximale Reibungskraft ist direkt proportional zur Normalkraft oder Lagerreaktion, die zwischen den Kontaktflächen wirkt.
- Bei denselben Körpern ist die Reibungskraft größer, bevor sich der Körper zu bewegen beginnt, und nimmt dann ab, wenn der Körper sich zu bewegen beginnt.
- Der Reibungskoeffizient hängt nicht von der Kontaktfläche und praktisch nicht von der Gleitgeschwindigkeit ab.
Gesetze
Indem wir das experimentelle Material zu den Bewegungsgesetzen zusammenfassen, haben wir die folgenden grundlegenden Reibungsgesetze aufgestellt:
- Der Gleitwiderstand zwischen zwei Körpern ist proportional zu der zwischen ihnen wirkenden Normalkraft.
- Der Bewegungswiderstand zwischen sich reibenden Körpern hängt nicht von der Kontaktfläche zwischen ihnen ab.
Um den zweiten Hauptsatz zu demonstrieren, können wir folgendes Beispiel geben: Wenn Sie einen Block nehmen und ihn durch Gleiten auf der Oberfläche bewegen, dann die notwendige Kraft für eine solche Bewegungwird dasselbe sein, wenn der Block mit seiner langen Seite auf der Oberfläche liegt und wenn er mit seinem Ende steht.
Die physikalischen Gesetze über verschiedene Arten von Reibungskräften wurden Ende des 15. Jahrhunderts von Leonard da Vinci entdeckt. Dann gerieten sie lange in Vergessenheit und wurden erst 1699 vom französischen Ingenieur Amonton wiederentdeckt. Seitdem tragen die Reibungsgesetze seinen Namen.
Warum ist die Reibungskraft größer als beim Gleiten im Ruhezustand?
Bei der Betrachtung mehrerer Arten von Reibungskräften (Ruhe und Gleiten) ist zu beachten, dass die Haftreibungskraft immer kleiner oder gleich dem Produkt aus Haftreibungskoeffizient und Reaktionskraft des Auflagers ist. Für diese Schleifmaterialien wird der Reibwert experimentell ermittelt und in die entsprechenden Tabellen eingetragen.
Die dynamische Kraft wird genauso berechnet wie die statische Kraft. Nur in diesem Fall wird der Reibungskoeffizient gezielt zum Gleiten verwendet. Der Reibungskoeffizient wird üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben Μ (mu) bezeichnet. Somit lautet die allgemeine Formel für beide Reibungskräfte: Ftr=ΜN, wobei N die Auflagerreaktionskraft ist.
Die Art des Unterschieds zwischen diesen Arten von Reibungskräften wurde nicht genau festgestellt. Die meisten Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass die Haftreibungskraft größer ist als die beim Gleiten, denn wenn die Körper einige Zeit relativ zueinander ruhen, können sich zwischen ihren Oberflächen ionische Bindungen oder Mikroverschmelzungen einzelner Punkte der Oberflächen bilden. Diese Faktoren verursachen eine Erhöhung der statischen AufladungIndikator.
Ein Beispiel für mehrere Arten von Reibungskräften und deren Erscheinungsformen ist der Kolben im Zylinder eines Automotors, der bei längerem Stillstand des Motors mit dem Zylinder "verlötet" wird.
Horizontaler Schiebekörper
Lassen Sie uns die Bewegungsgleichung für einen Körper aufstellen, der unter der Wirkung einer äußeren Kraft Fin beginnt, sich entlang der Oberfläche zu bewegen, indem er gleitet. Dabei wirken folgende Kräfte auf den Körper:
- Fv – externe Kraft;
- Ftr – Reibungskraft, die der Kraft Fv;
- N ist die Reaktionskraft des Auflagers, die betragsmäßig gleich der Gewichtskraft des Körpers P ist und auf die Oberfläche gerichtet ist, also im rechten Winkel dazu.
entgegengerichtet ist
Unter Berücksichtigung der Richtungen aller Kräfte schreiben wir für diesen Bewegungsfall das zweite Newtonsche Gesetz: Fv - Ftr=ma, wo m - Körpermasse, a - Beschleunigung der Bewegung. Da wir wissen, dass Ftr=ΜN, N=P=mg, wobei g die Beschleunigung im freien Fall ist, erh alten wir: Fv – Μ mg=ma. Daraus ergibt sich für die Beschleunigung, mit der sich der Gleitkörper bewegt, a=F in / m – Μg.
Bewegung eines starren Körpers in einer Flüssigkeit
Bei der Überlegung, welche Arten von Reibungskräften es gibt, sollte man ein wichtiges Phänomen in der Physik erwähnen, nämlich die Beschreibung, wie sich ein fester Körper in einer Flüssigkeit bewegt. In diesem Fall sprechen wir von aerodynamischer Reibung, die abhängig von der Geschwindigkeit des Körpers in der Flüssigkeit bestimmt wird. Es gibt zwei Bewegungsarten:
- WannBewegt sich ein starrer Körper mit geringer Geschwindigkeit, spricht man von laminarer Bewegung. Die Reibungskraft bei laminarer Bewegung ist proportional zur Geschwindigkeit. Ein Beispiel ist das Gesetz von Stokes für kugelförmige Körper.
- Wenn die Bewegung eines Körpers in einer Flüssigkeit mit einer höheren Geschwindigkeit als einem bestimmten Schwellenwert erfolgt, beginnen Wirbel aus Flüssigkeitsströmungen um den Körper herum zu erscheinen. Diese Wirbel erzeugen eine zusätzliche Kraft, die die Bewegung behindert, und infolgedessen ist die Reibungskraft proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit.
Wesen der Rollreibungskraft
Wenn man von den Arten der Reibungskräfte spricht, ist es üblich, die Rollreibungskraft als dritte Art zu bezeichnen. Sie äußert sich, wenn ein Körper über eine bestimmte Oberfläche rollt und es zu einer Verformung dieses Körpers und der Oberfläche selbst kommt. Das heißt, bei absolut unverformbaren Körpern und Oberflächen macht es keinen Sinn, von Rollreibungskräften zu sprechen. Sehen wir uns das genauer an.
Das Konzept des Rollreibungskoeffizienten ähnelt dem des Gleitens. Da zwischen den Körperoberflächen beim Rollen kein Schlupf auftritt, ist der Rollreibungskoeffizient viel kleiner als beim Gleiten.
Der Hauptfaktor, der den Koeffizienten beeinflusst, ist die Hysterese der mechanischen Energie für die Art der Rollreibungskraft. Insbesondere wird das Rad in Abhängigkeit von seinem Material sowie der Belastung, die es trägt, während der Bewegung elastisch verformt. Wiederholte Zyklen elastischer Verformung führen zur Übertragung eines Teils der mechanischen Energie in thermische Energie. Außerdem wegenSchäden, der Kontakt des Rades und der Oberfläche hat bereits eine begrenzte Kontaktfläche.
Formel der Rollreibungskraft
Wenn wir den Ausdruck für das Kraftmoment anwenden, das das Rad dreht, dann erh alten wir, dass die Rollreibungskraft Ftr.k.=Μ ist k N / R, hier ist N die Reaktion des Trägers, R der Radius des Rades, Μк – Rollreibwert. Somit ist die Rollreibungskraft umgekehrt proportional zum Radius, was den Vorteil großer Räder gegenüber kleinen erklärt.
Die umgekehrte Proportionalität dieser Kraft zum Radradius legt nahe, dass bei zwei Rädern mit unterschiedlichem Radius, gleicher Masse und gleichem Material das Rad mit dem größeren Radius leichter zu erreichen ist bewegen.
Rollierendes Verhältnis
Nach der Formel für diese Art der Reibungskraft erhält man, dass der Rollreibungskoeffizient Μk die Dimension der Länge hat. Sie hängt hauptsächlich von der Art der kontaktierenden Körper ab. Der Wert, der sich aus dem Verhältnis des Rollreibungskoeffizienten zum Radius ergibt, heißt Rollkoeffizient, also Ck=Μk / R ist eine dimensionslose Größe.
Der Rollbeiwert Ck ist deutlich kleiner als der Gleitreibungsbeiwert Μtr. Daher können wir bei der Beantwortung der Frage, welche Art von Reibungskraft am kleinsten ist, getrost die Rollreibungskraft nennen. Dank dieser Tatsache gilt die Erfindung des Rades als wichtiger Schritt des technologischen Fortschritts. Menschlichkeit.
Das Rollverhältnis ist systemspezifisch und hängt von folgenden Faktoren ab:
- Härte des Rades und der Oberfläche (je geringer die Verformung des Körpers während der Bewegung, desto geringer der Rollkoeffizient);
- Radradius;
- Gewicht, das auf das Rad wirkt;
- Kontaktfläche und ihre Form;
- Viskosität im Kontaktbereich zwischen Rad und Untergrund;
- Körpertemperatur
