Síla tření je fyzikální veličina, která brání jakémukoli pohybu těla. Vzniká zpravidla při pohybu těles v pevné, kapalné a plynné hmotě. Různé druhy třecích sil hrají v životě člověka důležitou roli, protože zabraňují nadměrnému zvyšování rychlosti těles.
Klasifikace třecích sil
V obecném případě jsou všechny typy třecích sil popsány třemi typy: třecí silou posuvu, valení a klidu. První je statický, další dva jsou dynamické. Tření v klidu brání tělu, aby se začalo pohybovat, naopak při klouzání dochází ke tření, když se tělo při pohybu tře o povrch jiného těla. Valivé tření vzniká při pohybu kulatého předmětu. Vezměme si příklad. Pozoruhodným příkladem tohoto typu (valivá třecí síla) je pohyb kol automobilu po asf altu.
Povahou třecích sil je existence mikroskopických nedokonalostí mezi třecími plochami dvou těles. Z tohoto důvodu výsledná síla působí napředmět, který se pohybuje nebo se začíná pohybovat, se skládá ze součtu síly normálové reakce podpěry N, která směřuje kolmo k povrchu dotykových těles, a třecí síly F. Ta je směrována rovnoběžně s kontaktní plocha a je protilehlá pohybu těla.
Tření mezi dvěma pevnými látkami
Při zvažování problému různých typů třecích sil byly u dvou pevných těles pozorovány následující vzorce:
- Třecí síla směřuje rovnoběžně s nosným povrchem.
- Koeficient tření závisí na povaze kontaktních ploch a také na jejich stavu.
- Maximální třecí síla je přímo úměrná normálové síle nebo reakci podpory, která působí mezi kontaktními plochami.
- U stejných těles je třecí síla větší, než se těleso začne pohybovat, a poté se sníží, když se těleso začne pohybovat.
- Koeficient tření nezávisí na kontaktní ploše a prakticky nezávisí na rychlosti skluzu.
Zákony
Shrnutím experimentálního materiálu o zákonech pohybu jsme stanovili následující základní zákony týkající se tření:
- Odpor proti klouzání mezi dvěma tělesy je úměrný normálové síle působící mezi nimi.
- Odolnost vůči pohybu mezi třecími těly nezávisí na kontaktní ploše mezi nimi.
Abychom demonstrovali druhý zákon, můžeme uvést následující příklad: vezmete-li blok a posunete jej klouzáním po povrchu, pak síla potřebná pro takový pohybbude stejný, když blok leží na povrchu svou dlouhou stranou a když stojí svým koncem.
Zákony týkající se různých typů třecích sil ve fyzice objevil na konci 15. století Leonard da Vinci. Pak byly na dlouhou dobu zapomenuty a teprve v roce 1699 je znovu objevil francouzský inženýr Amonton. Od té doby nesou zákony tření jeho jméno.
Proč je třecí síla větší než při klouzání v klidu?
Při zvažování několika typů třecích sil (klidové a posuvné) je třeba poznamenat, že statická třecí síla je vždy menší nebo rovna součinu statického koeficientu tření a reakční síly podpěry. Koeficient tření je určen experimentálně pro tyto třecí materiály a zapsán do příslušných tabulek.
Dynamická síla se vypočítá stejným způsobem jako statická síla. Pouze v tomto případě se koeficient tření používá speciálně pro skluz. Koeficient tření se obvykle označuje řeckým písmenem Μ (mu). Obecný vzorec pro obě třecí síly je tedy: Ftr=ΜN, kde N je reakční síla podpory.
Povaha rozdílu mezi těmito typy třecích sil nebyla přesně stanovena. Většina vědců se však domnívá, že statická třecí síla je větší než u skluzu, protože když jsou tělesa vůči sobě nějakou dobu v klidu, mohou mezi jejich povrchy vznikat iontové vazby nebo mikrofúze jednotlivých bodů povrchů. Tyto faktory způsobují zvýšení statické elektřinyindikátor.
Příkladem více druhů třecích sil a jejich projevu je píst ve válci motoru automobilu, který je v případě, že motor delší dobu neběží, k válci „připájen“.
Horizontální posuvné tělo
Pojďme získat pohybovou rovnici pro těleso, které se působením vnější síly Fin začne pohybovat po povrchu klouzáním. V tomto případě působí na těleso následující síly:
- Fv – vnější síla;
- Ftr – třecí síla opačného směru než síla Fv;
- N je reakční síla podpěry, která se v absolutní hodnotě rovná hmotnosti tělesa P a směřuje k povrchu, tj. v pravém úhlu k němu.
Vezmeme-li v úvahu směry všech sil, píšeme pro tento případ pohybu druhý Newtonův zákon: Fv - Ftr=ma, kde m - tělesná hmotnost, a - zrychlení pohybu. Když víme, že Ftr=ΜN, N=P=mg, kde g je zrychlení volného pádu, dostaneme: Fv – Μmg=ma. Odkud, když vyjádříme zrychlení, se kterým se posuvné těleso pohybuje, dostaneme: a=F v /m – Μg.
Pohyb tuhého tělesa v kapalině
Při zvažování, jaké typy třecích sil existují, je třeba zmínit důležitý fenomén ve fyzice, kterým je popis pohybu pevného tělesa v kapalině. V tomto případě mluvíme o aerodynamickém tření, které se určuje v závislosti na rychlosti pohybu tělesa v kapalině. Existují dva typy pohybu:
- Kdytuhé těleso se pohybuje nízkou rychlostí, mluví se o laminárním pohybu. Třecí síla při laminárním pohybu je úměrná rychlosti. Příkladem je Stokesův zákon pro kulová tělesa.
- Když se pohyb tělesa v tekutině odehrává vyšší rychlostí, než je určitá prahová hodnota, začnou se kolem těla objevovat víry z proudění tekutiny. Tyto víry vytvářejí další sílu, která brání pohybu, a v důsledku toho je třecí síla úměrná druhé mocnině rychlosti.
Povaha valivé třecí síly
Když mluvíme o typech třecích sil, je obvyklé nazývat valivé třecí síly třetím typem. Projevuje se při převalování tělesa po určité ploše a dochází k deformaci tohoto tělesa i povrchu samotného. Čili v případě absolutně nedeformovatelného těla a povrchu nemá cenu mluvit o síle valivého tření. Pojďme se na to podívat blíže.
Koncepce koeficientu valivého tření je podobná jako u skluzu. Vzhledem k tomu, že během válcování nedochází k žádnému prokluzu mezi povrchy těles, je koeficient valivého tření mnohem menší než u skluzu.
Hlavním faktorem, který ovlivňuje koeficient, je hystereze mechanické energie pro daný typ valicí třecí síly. Zejména kolo, v závislosti na materiálu, ze kterého je vyrobeno, a také na zatížení, které nese, se při pohybu pružně deformuje. Opakující se cykly elastické deformace vedou k převodu části mechanické energie na tepelnou. Navíc kvůlipoškození, kontakt kola a povrch již má určitou konečnou kontaktní plochu.
vzorec valivé třecí síly
Pokud použijeme výraz pro moment síly, který otáčí kolem, pak získáme, že valivá třecí síla je Ftr.k.=Μ k N / R, zde N je reakce podpěry, R je poloměr kola, Μк – koeficient valivého tření. Valivá třecí síla je tedy nepřímo úměrná poloměru, což vysvětluje výhodu velkých kol oproti malým.
Nepřímá úměrnost této síly k poloměru kola naznačuje, že v případě dvou kol různých poloměrů, která mají stejnou hmotnost a jsou vyrobena ze stejného materiálu, je jednodušší kolo s větším poloměrem budge.
Poměr rolování
V souladu se vzorcem pro tento typ třecí síly získáme, že koeficient valivého tření Μk má rozměr délky. Záleží především na povaze kontaktujících těles. Hodnota, která je určena poměrem koeficientu valivého tření k poloměru, se nazývá koeficient valení, tedy Ck=Μk / R je bezrozměrná veličina.
Koeficient valení Ck je výrazně menší než koeficient kluzného tření Μtr. Proto při zodpovězení otázky, který typ třecí síly je nejmenší, můžeme s klidem nazvat valivým třením. Díky této skutečnosti je vynález kola považován za důležitý krok v technologickém pokroku.lidstvo.
Poměr valení je specifický pro systém a závisí na následujících faktorech:
- tvrdost kola a povrchu (čím menší deformace těles při pohybu nastává, tím nižší je koeficient valení);
- poloměr kola;
- závaží působící na kolo;
- kontaktní plocha a její tvar;
- viskozita v oblasti kontaktu mezi kolem a povrchem;
- tělesná teplota
