Ve speciální části fyziky - dynamika, když studují pohyb těles, zvažují síly působící na pohybující se systém. Ten může vykonávat pozitivní i negativní práci. Zvažte v tomto článku, jaká je práce třecí síly a jak se počítá.
Pojem práce ve fyzice
Ve fyzice se pojem „práce“liší od běžné představy tohoto slova. Práce je chápána jako fyzikální veličina, která je rovna skalárnímu součinu vektoru síly a vektoru posunutí tělesa. Předpokládejme, že existuje nějaký předmět, na který působí síla F¯. Protože na něj nepůsobí žádné jiné síly, bude jeho vektor posunutí l¯ souhlasit ve směru s vektorem F¯. Skalární součin těchto vektorů bude v tomto případě odpovídat součinu jejich modulů, tedy:
A=(F¯l¯)=Fl.
Hodnota A je práce vykonaná silou F¯ k posunutí objektu o vzdálenost l. Vezmeme-li v úvahu rozměry hodnot F a l, zjistíme, že práce se v systému SI měří v newtonech na metr (Nm). Nicméně jednotkaNm má své vlastní jméno - je to joule. To znamená, že pojem práce je stejný jako pojem energie. Jinými slovy, pokud síla 1 newtonu přesune těleso o 1 metr, pak odpovídající náklady na energii jsou 1 joule.
Jaká je síla tření?
Studium otázky působení třecí síly je možné, pokud víte, o jaké síle mluvíme. Tření ve fyzice je proces, který zabraňuje jakémukoli pohybu jednoho tělesa na povrchu druhého, když se tyto povrchy dostanou do kontaktu.
Pokud vezmeme v úvahu pouze pevná tělesa, pak pro ně existují tři typy tření:
- rest;
- slip;
- rolling.
Tyto síly působí mezi kontaktními plochami a jsou vždy namířeny proti pohybu těles.
Klidové tření brání samotnému pohybu, kluzné tření se projevuje v procesu pohybu, kdy povrchy těles po sobě kloužou a mezi tělesem, které se valí po povrchu, a povrchem samotným existuje valivé tření.
Příkladem působení statického tření je auto, které je na svahu zataženo ruční brzdou. Kluzné tření se projevuje při pohybu lyžaře na sněhu nebo při pohybu bruslaře na ledu. A konečně, valivé tření působí, když se kolo auta pohybuje po silnici.
Síly pro všechny tři typy tření se vypočítají pomocí následujícího vzorce:
Ft=µtN.
Zde N je reakční síla podpory, µt je koeficient tření. Síla Nznázorňuje velikost dopadu podpěry na těleso kolmo k rovině povrchu. Pokud jde o parametr µt, je měřen experimentálně pro každý pár třecích materiálů, např. dřevo-dřevo, ocel-sníh a tak dále. Naměřené výsledky se shromažďují ve speciálních tabulkách.
Pro každou třecí sílu má koeficient µt pro vybranou dvojici materiálů svou vlastní hodnotu. Koeficient statického tření je tedy o několik desítek procent větší než u kluzného tření. Valivý koeficient je zase o 1-2 řády menší než u klouzání.
Práce třecích sil
Nyní, když jste se seznámili s koncepty práce a s typy tření, můžete přejít přímo k tématu článku. Podívejme se v pořadí na všechny typy třecích sil a zjistíme, jakou práci vykonávají.
Začněme statickým třením. Tento typ se projevuje, když se tělo nehýbe. Protože nedochází k žádnému pohybu, jeho vektor posunutí l¯ je roven nule. To druhé znamená, že práce statické třecí síly je také rovna nule.
Klouzavé tření podle definice působí pouze tehdy, když se těleso pohybuje v prostoru. Protože síla tohoto typu tření je vždy namířena proti pohybu tělesa, znamená to, že vykonává negativní práci. Hodnotu A lze vypočítat pomocí vzorce:
A=-Ftl=-µtNl.
Práce posuvné třecí síly je zaměřena na zpomalení pohybu těla. Výsledkem této práce je přeměna mechanické energie těla na teplo.
Valivé tření, stejně jako klouzání, také zahrnuje pohyb těla. Valivá třecí síla vykonává negativní práci a zpomaluje počáteční rotaci tělesa. Protože mluvíme o rotaci tělesa, je vhodné vypočítat hodnotu práce této síly prostřednictvím práce její hybnosti. Odpovídající vzorec je zapsán jako:
A=-Mθ kde M=FtR.
Zde θ je úhel natočení těla v důsledku rotace, R je vzdálenost od povrchu k ose rotace (poloměr kola).
Problém s kluznou třecí silou
Je známo, že dřevěný blok je na okraji nakloněné dřevěné roviny. Rovina je nakloněna k horizontu pod úhlem 40o. S vědomím, že koeficient kluzného tření je 0,4, délka roviny je 1 metr a hmotnost tyče odpovídá 0,5 kg, je nutné najít práci kluzného tření.
Vypočítejte sílu kluzného tření. Je rovno:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Pak odpovídající práce A bude:
A=-Ftl=-1,51=-1,5 J.
Problém s valivým třením
Je známo, že kolo se určitou vzdálenost kutálelo po silnici a zastavilo se. Průměr kola je 45 cm Počet otáček kola před zastavením je 100. Při zohlednění součinitele odvalování rovného 0,03 je nutné zjistit, čemu se rovná práce odvalovací třecí síly. Hmotnost kola je 5 kg.
Nejprve vypočítejme valivý třecí moment:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Pokud se počet otáček kola vynásobí 2pi radiány, pak dostaneme úhel natočení kola θ. Pak vzorec pro práci je:
A=-Mθ=-M2pin.
Kde n je počet otáček. Dosazením momentu M a čísla n z podmínky získáme požadovanou práci: A=- 207,87 J.
