Wrijvingstypen, coëfficiënt, berekening, oefeningen

De wrijving Het is de weerstand tegen de verplaatsing van het ene oppervlak terwijl je in contact bent met een ander. Het is een oppervlakkig fenomeen dat optreedt tussen vaste, vloeibare en gasvormige materialen. De tangentiële resistentiekracht voor twee oppervlakken in contact, die zich verzet tegen de richting van relatieve verplaatsing tussen deze oppervlakken, wordt ook wrijvingskracht of wrijvingskracht genoemd F_R.

Om een ​​vast lichaam op een oppervlak te verplaatsen, moet een externe kracht worden uitgeoefend die wrijving kan overwinnen. Wanneer het lichaam beweegt, werkt de wrijvingskracht op het lichaam en vermindert zijn snelheid en kan het zelfs stoppen.

Wrijving [door Keta, Pietter Kuiper (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/bestand: wrijving.Svg)]

De wrijvingskracht kan grafisch worden weergegeven door middel van het krachtenschema van een lichaam in contact met een oppervlak. In dit diagram de wrijvingskracht F_R Het wordt getekend door de component van de kracht die op het tangentiële lichaam op het oppervlak wordt uitgeoefend.

Het contactoppervlak oefent een reactiekracht uit op het lichaam dat normale kracht wordt genoemd N. In sommige gevallen is de normale kracht alleen te wijten aan gewicht P van het lichaam dat op het oppervlak ligt, en in andere gevallen is het te wijten aan de uitgeoefende krachten dan de zwaartekracht dan de kracht van de zwaartekracht.

Wrijving is ontstaan ​​omdat er microscopische rugo's zijn tussen oppervlakken in contact. Wanneer u het ene oppervlak op het andere probeert te verplaatsen. Op zijn beurt worden energieverliezen geproduceerd in de vorm van warmte die niet wordt gebruikt om het lichaam te verplaatsen.

[TOC]

Soorten wrijving

Er zijn twee hoofdtypen van wrijving: de wrijving van Coulomb o Droge wrijving en vloeiende wrijving.

-Coulomb -wrijving

De wrijving van Coulomb Het verzet zich altijd tegen de beweging van lichamen en is onderverdeeld in twee soorten wrijving: statische wrijving en kinetische (of dynamische) wrijving.

In statische wrijving is er geen lichaamsbeweging op het oppervlak. De uitgeoefende kracht is erg laag en is niet voldoende om wrijvingskracht te overwinnen. Wrijving heeft een maximale waarde die evenredig is met de normale kracht en wordt statische wrijvingskracht genoemd F_{met betrekking tot}.

De statische wrijvingskracht wordt gedefinieerd als de maximale kracht die weerstaat aan het begin van de lichaamsbeweging. Wanneer de uitgeoefende kracht de statische wrijvingskracht overschrijdt, blijft deze op zijn maximale waarde.

Kinetische wrijving werkt wanneer het lichaam in beweging is. De kracht die nodig is om het lichaam met wrijving te houden, wordt kinetische wrijvingskracht genoemd F_RC.

De kinetische wrijvingskracht is kleiner dan of gelijk aan de statische wrijvingskracht, want zodra het lichaam begint te bewegen, is het gemakkelijker om het te blijven verplaatsen dan proberen dit te doen terwijl ze in rust zijn.

Coulomb Wrijvingswetten

1. De wrijvingskracht is recht evenredig met de normale kracht naar het contactoppervlak. De evenredigheidsconstante is de wrijvingscoëfficiënt μ dat bestaat tussen de oppervlakken in contact.
2. De wrijvingskracht is onafhankelijk van de grootte van het schijnbare contactgebied tussen de oppervlakken.
3. De kinetische wrijvingskracht is onafhankelijk van de schuifsnelheid van het lichaam.

-Vloeibare wrijving

Wrijving treedt ook op wanneer de lichamen in contact komen met vloeibare of gasvormige materialen. Dit type wrijving wordt vloeistofwrijving genoemd en wordt gedefinieerd als de weerstand tegen de beweging van lichamen in contact met een vloeistof.

Het kan u van dienst zijn: eenvoudige fysica-experimenten (primaire universiteit)

Vloeibare wrijving verwijst ook naar de weerstand van een vloeistof om in contact te stromen met vloeistoflagen van hetzelfde materiaal of een andere, en hangt af van de snelheid en viscositeit van de vloeistof. Viscositeit is de maat voor weerstand tegen de beweging van een vloeistof.

-Stokes wrijving

Stokes wrijving is een type vloeistofwrijving waarin bolvormige deeltjes ondergedompeld zijn in een viskeuze vloeistof, in laminaire stroom, een wrijvingskracht ervaren die zijn beweging vertraagt ​​als gevolg van de fluctuaties van de vloeistofmoleculen.

Stokes Friction [door KraaiNest (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/bestand: stokes_sphere.Svg)]

De stroom is laminair wanneer de viskeuze krachten, die zich verzetten tegen de beweging van de vloeistof, groter zijn dan de traagheidskrachten en de vloeistof beweegt met voldoende kleine snelheid en in rechtlijnig traject.

Wrijvingscoëfficiënten

Volgens de eerste wet van wrijving van Coulomb De wrijvingscoëfficiënt μ Het wordt verkregen uit de relatie tussen wrijvingskracht en normale kracht met het contactoppervlak.

μ = f_R/N

De coëfficiënt μ Het is een dimensieloze hoeveelheid, omdat het een relatie is tussen twee krachten, die afhankelijk is van de aard en behandeling van materialen in contact. Over het algemeen ligt de waarde van de wrijvingscoëfficiënt tussen 0 en 1.

Statische wrijvingscoëfficiënt

De statische wrijvingscoëfficiënt is de constante van evenredigheid die bestaat tussen de kracht die de beweging van een lichaam voorkomt in een staat van contact op een contactoppervlak en de normale kracht naar het oppervlak.

μ_En= F_{met betrekking tot}/N

Kinetische wrijvingscoëfficiënt

De kinetische wrijvingscoëfficiënt is de constante van evenredigheid die bestaat tussen de kracht die de beweging beperkt van een lichaam dat op een oppervlak en de normale kracht naar het oppervlak beweegt.

μ_C= F_RC/N

De statische wrijvingscoëfficiënt is groter dan de kinetische wrijvingscoëfficiënt.

μ_S> μ_C

Elastische wrijvingscoëfficiënt

De elastische wrijvingscoëfficiënt komt voort uit de wrijving tussen contactoppervlakken van elastische, zachte of ruwe materialen die worden vervormd door de toegepaste krachten. Wrijving verzet zich tegen de relatieve beweging tussen twee elastische oppervlakken en de verplaatsing gaat gepaard met een elastische vervorming van de oppervlaktelagen van het materiaal.

De wrijvingscoëfficiënt verkregen onder deze omstandigheden hangt af van de mate van oppervlakteruwheid, van de fysieke eigenschappen van contactmaterialen en de grootte van de tangentiële component van de hoorkracht in de materiaalinterface.

Moleculaire wrijvingscoëfficiënt

De coëfficiënt van moleculaire wrijving wordt verkregen uit de kracht die de beweging beperkt van een deeltje dat op een zacht oppervlak of door een vloeistof glijdt.

Hoe wordt wrijving berekend??

De wrijvingskracht in vaste interfaces wordt berekend met behulp van de vergelijking F_R = μn

N Het is de normale kracht en μ Het is de wrijvingscoëfficiënt.

In sommige gevallen is de normale kracht gelijk aan het gewicht van het lichaam P. Het gewicht wordt verkregen door de massa te vermenigvuldigen M van het lichaam vanwege de versnelling van de zwaartekracht G.

P= mg

Door de gewichtsvergelijking in de wrijvingskrachtvergelijking te vervangen, wordt deze verkregen:

Het kan u van dienst zijn: gemiddelde versnelling: hoe het wordt berekend en opgelost

F_R = μmg

Normale kenmerken

Wanneer een object in rust is op een plat oppervlak, is de normale kracht degene die het oppervlak op het lichaam uitoefent en zich verzet tegen de kracht als gevolg van de zwaartekracht, volgens de wet en reactie van Newton.

Normale kracht werkt altijd loodrecht op het oppervlak. Op een hellend oppervlak neemt het normaal af naarmate de hellingshoek toeneemt en wijst in loodrechte richting weg van het oppervlak, terwijl het gewicht verticaal naar beneden wijst. De normale krachtvergelijking op een hellend oppervlak is:

N = mgcosθ

θ = hellingshoek van het contactoppervlak.

Wrijving in hellend vlak [door METS501 (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/bestand: free_body.Svg)]

De component van de kracht die op het lichaam werkt om te schuiven is:

F = mgsenθ

Naarmate de uitgeoefende kracht toeneemt tot de maximale waarde van de wrijvingskracht, komt deze waarde overeen met de statische wrijvingskracht. Wanneer  F = f_{met betrekking tot}, De statische wrijvingskracht is:

F_{met betrekking tot}= mgsenθ

En de statische wrijvingscoëfficiënt wordt verkregen door raaklijn van de hellingshoek θ.

μ_En = tanθ

Opgeloste oefeningen

-Wrijvingskracht van een object dat op een horizontaal oppervlak berust

Een doos van 15 kg geplaatst op een horizontaal oppervlak wordt geduwd door een persoon die een kracht van 50 newton langs een oppervlak aanbrengt om te bewegen en vervolgens een kracht van 25 N aan te brengen om de doos in beweging te houden met een constante snelheid. Bepaal statische en kinetische wrijvingscoëfficiënten.

Doos beweegt op horizontaal oppervlak

Oplossing: Met de waarde van de toegepaste kracht om de doos te verplaatsen, wordt de statische wrijvingscoëfficiënt verkregen μ_En.

μ_En= F_{met betrekking tot}/N

De normale kracht N aan het oppervlak is gelijk aan het gewicht van de doos, dus N = m.G

N = 15 kgx9,8m/s²

N = 147New

In dit geval, μ_En= 50New/147New

μ_En= 0,34

De uitgeoefende kracht om de snelheid van de constante doos te handhaven is de kinetische wrijvingskracht die gelijk is aan 25New.

De kinetische wrijvingscoëfficiënt wordt verkregen met de vergelijking μ_C= F_RC /N

μ_C= 25New/147New

μ_C= 0,17

-Wrijvingskracht van een object onder de werking van een kracht met een hellingshoek

Een man past een kracht toe op een doos van 20 kg, met een toepassingshoek van 30 ° ten opzichte van het oppervlak waar hij rust. Wat is de grootte van de uitgeoefende kracht om de doos te verplaatsen als de wrijvingscoëfficiënt tussen de doos en het oppervlak 0,5 is?

Oplossing: de uitgeoefende kracht en zijn verticale en horizontale componenten worden weergegeven in het vrije lichaamsdiagram.

Free-body diagram

De uitgeoefende kracht vormt een hoek van 30 ° met het horizontale oppervlak. De verticale component van de kracht draagt ​​bij aan de normale kracht die de statische wrijvingskracht beïnvloedt. De doos beweegt wanneer de horizontale component van de uitgeoefende kracht de maximale waarde van wrijvingskracht overschrijdt F_{met betrekking tot}. Door de horizontale component van de kracht te matchen met die van statische wrijving, wordt deze verkregen:

F_{met betrekking tot} = Fcosθ                       [1]

F_{met betrekking tot}= μ_En.N                          [2]

Het kan u van dienst zijn: Rutherford Atomic Model: geschiedenis, experimenten, postulaten

μ_En.N = fcosθ                      [3]

normale kracht

Normale kracht is niet langer het gewicht van het lichaam als gevolg van de verticale component van kracht.

Volgens de tweede wet van Newton is de som van de krachten die op de doos op de verticale as werken nietig, daarom is de verticale component van de versnelling is naar_En= 0. Normale kracht wordt verkregen uit som

F Sen30 ° + N - P = 0                      [4]

P = m.G                                        [5]

F snn 30 ° + n - m.G = 0                [6]

N = m.G - F Sen 30 °                      [7]

Bij het vervangen van vergelijking [7] in vergelijking [3] wordt het volgende verkregen:

μ_En. (M.G - f sin 30 °) = fcos30 °     [8]

Het wist F Van vergelijking [8] en verkregen:

F = μ_En . M.G /(cos 30 ° + μ_En sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m/s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87.5New

-Wrijving in een bewegend voertuig

Een voertuig van 1,5 ton beweegt op een rechtlijnige en horizontale weg met een snelheid van 70 km/u. De bestuurder visualiseert op een bepaalde afstand obstakels op de weg die hem dwingen scherp te stoppen. Na het stoppen van het schaatsvoertuig gedurende een korte periode totdat het stopt. Als de wrijvingscoëfficiënt tussen de banden en de weg 0,7 is; Bepaal het volgende:

1. Wat is de waarde van wrijving terwijl het patina -voertuig?
2. Voertuigvertraging
3. De afstand die door het voertuig wordt afgelegd, stopt tot het stopt.

Oplossing:

Sectie A

Het vrije lichaamsdiagram toont de krachten die op het voertuig werken tijdens het schaatsen.

Krachten die in een bewegend voertuig handelen

Omdat de som van de krachten die in de verticale as werken nul is, is de normale kracht gelijk aan het gewicht van het voertuig.

N = m.G

M = 1,5 ton = 1500 kg

N = 1500 kgx9,8m/s²= 14700New

De wrijvingskracht van het voertuig bij het schaatsen is:

F_R = μn = 0,7x14700New

= 10290 nieuw

Sectie B

De wrijvingskracht beïnvloedt de afname van de voertuigsnelheid tijdens het schaatsen.

Bij het toepassen van de tweede wet van Newton wordt de waarde van de vertraging verkregen door de vergelijking op te ruimen F = m.naar

A = f/m

a = (-10290 nieuw)/ 1500 kg

= -6.86m/s²

Sectie C

De eerste voertuigsnelheid is v₀ = 70 km/h = 19,44 m/s

Wanneer het voertuig zijn laatste snelheid stopt, is het v_F = 0 En de vertraging is A = -6.86m/s²

De afstand die door het voertuig wordt afgelegd, omdat het stopt totdat het stopt, wordt het verkregen door op te ruimen D van de volgende vergelijking:

v_F² = V₀²+2ad

D = (v_F² - v₀²)/2a

= ((0)²-(19.44m/s)²)/(2x (-6.86m/s²))

D = 27,54 m

Het voertuig reist 27.54m Afstand voordat u stopt.

 Referenties

1. Berekeningen van de wrijvingscoëfficiënt onder elastische contactvoorwaarden. Mikhin, n m. 2, 1968, Sovjet Materials Science, Vol. 4, p. 149-152.
2. Blau, P J. Wrijvingswetenschap en technologie. Florida, VS: CRC Press, 2009.
3. Relatie tussen hechting en wrijvingskrachten. Isralachvili, J N, Chen, You-Lung en Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, p. 1231-1249.
4. Zimba, J. Kracht en beweging. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Principes en toepassingen van de tribologie. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, C S en Purohit, K. Theorie van mechanismen en machines. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.