Každý student ví, že při kontaktu dvou pevných povrchů vzniká tzv. třecí síla. Podívejme se v tomto článku, co to je, se zaměřením na místo působení třecí síly.
Jaké druhy třecí síly existují?
Před zvážením místa působení třecí síly je nutné stručně připomenout, jaké typy tření existují v přírodě a technologii.
Začněme uvažovat o statickém tření. Tento typ charakterizuje stav pevného tělesa v klidu na nějakém povrchu. Klidové tření zabraňuje jakémukoli vychýlení těla z jeho klidového stavu. Například díky působení této síly je pro nás obtížné přesunout skříň stojící na podlaze.
Posuvné tření je další druh tření. Projevuje se v případě kontaktu dvou povrchů klouzajících po sobě. Kluzné tření působí proti pohybu (směr třecí síly je opačný k rychlosti tělesa). Pozoruhodným příkladem jeho působení je lyžař nebo bruslař klouzající po ledu na sněhu.
Konečně, třetím typem tření je odvalování. Existuje vždy, když se jedno tělo převaluje po povrchu druhého. Například odvalování kola nebo ložisek jsou hlavními příklady, kde je důležité valivé tření.
První dva z popsaných typů vznikají v důsledku drsnosti třecích povrchů. Třetí typ vzniká v důsledku deformační hystereze valivého tělesa.
Body působení kluzných a klidových třecích sil
Výše bylo řečeno, že statické tření zabraňuje působení vnější síly, která má tendenci pohybovat předmětem po kontaktní ploše. To znamená, že směr třecí síly je opačný než směr vnější síly rovnoběžné s povrchem. Bod působení uvažované třecí síly je v oblasti kontaktu mezi dvěma povrchy.
Je důležité pochopit, že statická třecí síla není konstantní hodnota. Má maximální hodnotu, která se vypočítá pomocí následujícího vzorce:
Ft=µtN.
Tato maximální hodnota se však objeví pouze tehdy, když se tělo začne pohybovat. V každém jiném případě je statická třecí síla v absolutní hodnotě přesně stejná jako rovnoběžný povrch vnější síly.
Pokud jde o místo působení síly kluzného tření, neliší se od místa pro statické tření. Když už mluvíme o rozdílu mezi statickým a kluzným třením, je třeba poznamenat absolutní význam těchto sil. Síla kluzného tření pro danou dvojici materiálů je tedy konstantní hodnotou. Navíc je vždy menší než maximální síla statického tření.
Jak vidíte, místo působení třecích sil se neshoduje s těžištěm těla. To znamená, že uvažované síly vytvářejí moment, který má tendenci převrátit posuvné těleso dopředu. To lze pozorovat, když cyklista prudce zabrzdí předním kolem.
Valivé tření a jeho aplikační bod
Vzhledem k tomu, že fyzikální příčina valivého tření je odlišná od výše diskutovaných typů tření, má místo působení valivé třecí síly mírně odlišný charakter.
Předpokládejme, že kolo auta je na chodníku. Je zřejmé, že toto kolo je zdeformované. Plocha jeho kontaktu s asf altem je rovna 2dl, kde l je šířka kola, 2d je délka bočního kontaktu kola a asf altu. Síla valivého tření se ve své fyzikální podstatě projevuje v podobě reakčního momentu podpěry směřujícího proti otáčení kola. Tento okamžik se vypočítá následovně:
M=Nd
Pokud to vydělíme a vynásobíme poloměrem kola R, dostaneme:
M=Nd/RR=FtR kde Ft=Nd/R
Valivá třecí síla Ft je tedy ve skutečnosti reakcí podpěry, která vytváří moment síly, který má tendenci zpomalovat rotaci kola.
Bod působení této síly směřuje svisle nahoru vzhledem k povrchu roviny a je posunut doprava od středu hmoty o d (za předpokladu, že se kolo pohybuje zleva doprava).
Příklad řešení problému
Akcetřecí síla jakéhokoli druhu má tendenci zpomalovat mechanický pohyb těles a zároveň přeměňovat jejich kinetickou energii na teplo. Pojďme vyřešit následující problém:
bar klouže po nakloněném povrchu. Je nutné vypočítat zrychlení jeho pohybu, pokud je známo, že koeficient klouzání je 0,35 a úhel sklonu povrchu je 35o.
Uvažme, jaké síly působí na tyč. Nejprve je gravitační složka směrována dolů podél kluzné plochy. Je rovno:
F=mgsin(α)
Za druhé, konstantní třecí síla působí vzhůru podél roviny, která je namířena proti vektoru zrychlení tělesa. Lze jej určit podle vzorce:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Potom bude mít Newtonův zákon pro tyč pohybující se zrychlením a tvar:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
Dosazením dat do rovnosti dostaneme, že a=2,81 m/s2. Všimněte si, že nalezené zrychlení nezávisí na hmotnosti tyče.
