Jeder Schüler weiß, dass beim Kontakt zweier fester Oberflächen die sogenannte Reibungskraft entsteht. Betrachten wir in diesem Artikel, was es ist, und konzentrieren wir uns auf den Angriffspunkt der Reibungskraft.
Welche Reibungskräfte gibt es?
Bevor wir uns mit dem Angriffspunkt der Reibungskraft befassen, sei kurz in Erinnerung gerufen, welche Arten von Reibung es in Natur und Technik gibt.
Beginnen wir mit der Haftreibung. Dieser Typ charakterisiert den Zustand eines Festkörpers, der auf einer Oberfläche ruht. Die Ruhereibung verhindert eine Verschiebung des Körpers aus seinem Ruhezustand. Aufgrund der Wirkung dieser Kraft ist es beispielsweise für uns schwierig, einen auf dem Boden stehenden Schrank zu bewegen.
Gleitreibung ist eine andere Art von Reibung. Sie äußert sich im Kontakt zwischen zwei aufeinander gleitenden Oberflächen. Gleitreibung wirkt der Bewegung entgegen (die Richtung der Reibungskraft ist der Geschwindigkeit des Körpers entgegengesetzt). Ein markantes Beispiel für seine Wirkung ist ein Skifahrer oder Skater, der auf Schnee auf Eis rutscht.
Schließlich rollt die dritte Reibungsart. Es existiert immer dann, wenn ein Körper auf der Oberfläche eines anderen rollt. Beispielsweise sind das Abrollen eines Rades oder Lager Paradebeispiele, bei denen es auf die Rollreibung ankommt.
Die ersten beiden der beschriebenen Typen entstehen durch Rauheit auf Reibflächen. Die dritte Art entsteht durch die Verformungshysterese des Wälzkörpers.
Angriffspunkte der Gleit- und Ruhereibungskräfte
Oben wurde gesagt, dass die Haftreibung die von außen wirkende Kraft verhindert, die dazu neigt, das Objekt entlang der Kontaktfläche zu bewegen. Das bedeutet, dass die Richtung der Reibungskraft der Richtung der äußeren Kraft parallel zur Oberfläche entgegengesetzt ist. Der Angriffspunkt der betrachteten Reibungskraft liegt im Kontaktbereich zwischen zwei Flächen.
Es ist wichtig zu verstehen, dass die Haftreibungskraft kein konstanter Wert ist. Er hat einen Maximalwert, der nach folgender Formel berechnet wird:
Ft=µtN.
Dieser Maximalwert erscheint jedoch erst, wenn der Körper seine Bewegung beginnt. In jedem anderen Fall ist die Haftreibungskraft betragsmäßig genau gleich der Parallelfläche der äußeren Kraft.
Der Angriffspunkt der Gleitreibungskraft unterscheidet sich nicht von dem der Haftreibung. Wenn wir über den Unterschied zwischen Haft- und Gleitreibung sprechen, sollte die absolute Bedeutung dieser Kräfte beachtet werden. Somit ist die Gleitreibungskraft für ein gegebenes Materialpaar ein konstanter Wert. Außerdem ist sie immer kleiner als die maximale Haftreibungskraft.
Wie man sieht, fällt der Angriffspunkt der Reibungskräfte nicht mit dem Schwerpunkt des Körpers zusammen. Das bedeutet, dass die betrachteten Kräfte ein Moment erzeugen, das dazu neigt, den Gleitkörper nach vorne zu kippen. Letzteres kann beobachtet werden, wenn der Radfahrer mit dem Vorderrad stark bremst.
Rollreibung und ihr Angriffspunkt
Da die physikalische Ursache der Rollreibung eine andere ist als bei den oben diskutierten Reibungsarten, hat der Angriffspunkt der Rollreibungskraft einen etwas anderen Charakter.
Angenommen, das Rad des Autos steht auf dem Bürgersteig. Es ist offensichtlich, dass dieses Rad deformiert ist. Die Kontaktfläche mit Asph alt beträgt 2dl, wobei l die Breite des Rads und 2d die Länge des seitlichen Kontakts von Rad und Asph alt ist. Die Rollreibungskraft manifestiert sich in ihrem physikalischen Wesen in Form eines Reaktionsmomentes des Trägers, das gegen die Drehung des Rades gerichtet ist. Dieser Moment wird wie folgt berechnet:
M=Nd
Wenn wir es dividieren und mit dem Radius des Rades R multiplizieren, erh alten wir:
M=Nd/RR=FtR wobei Ft=Nd/R
Die Rollreibungskraft Ft ist also eigentlich die Reaktion des Trägers und erzeugt ein Kraftmoment, das die Drehung des Rades tendenziell verlangsamt.
Der Angriffspunkt dieser Kraft ist relativ zur Ebene senkrecht nach oben gerichtet und vom Schwerpunkt um d nach rechts verschoben (unter der Annahme, dass sich das Rad von links nach rechts bewegt).
Beispiel zur Problemlösung
AktionReibungskräfte jeglicher Art neigen dazu, die mechanische Bewegung von Körpern zu verlangsamen, während sie ihre kinetische Energie in Wärme umwandeln. Lassen Sie uns das folgende Problem lösen:
- Bar gleitet auf einer geneigten Fläche. Es ist notwendig, die Beschleunigung seiner Bewegung zu berechnen, wenn bekannt ist, dass der Gleitkoeffizient 0,35 beträgt und der Neigungswinkel der Oberfläche 35o.
beträgt.
Überlegen wir, welche Kräfte auf die Stange wirken. Erstens wird die Schwerkraftkomponente entlang der Gleitfläche nach unten gerichtet. Es ist gleich:
F=mgsin(α)
Zweitens wirkt entlang der Ebene nach oben eine konstante Reibungskraft, die gegen den Beschleunigungsvektor des Körpers gerichtet ist. Es kann durch die Formel bestimmt werden:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Dann hat das Newtonsche Gesetz für einen Balken, der sich mit der Beschleunigung a bewegt, die Form:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Durch Einsetzen der Daten in Gleichheit erh alten wir a=2,81 m/s2. Beachten Sie, dass die gefundene Beschleunigung nicht von der Masse des Balkens abhängt.
