Tření je fyzikální proces, bez kterého by samotný pohyb v našem světě nemohl existovat. Ve fyzice je pro výpočet absolutní hodnoty třecí síly nutné znát speciální koeficient pro uvažované třecí plochy. Jak zjistit koeficient tření? Na tuto otázku odpoví tento článek.
Tření ve fyzice
Před zodpovězením otázky, jak zjistit koeficient tření, je nutné zvážit, co je to tření a jakou silou se vyznačuje.
Ve fyzice existují tři typy tohoto procesu, ke kterému dochází mezi pevnými předměty. Jedná se o tření klidu, klouzání a odvalování. Ke tření dochází vždy, když se vnější síla pokouší pohnout předmětem. Kluzné tření, jak název napovídá, nastává, když jeden povrch klouže po druhém. Nakonec k valivému tření dochází, když se kulatý předmět (kolo, míč) kutálí po nějakém povrchu.
Všechny typy mají společné to, že nikomu bránípohyb a místo působení jejich sil je v oblasti kontaktu mezi povrchy dvou objektů. Všechny tyto typy také přeměňují mechanickou energii na teplo.
Síly klouzání a statického tření jsou způsobeny mikroskopickou drsností na površích, které se odírají. Kromě toho jsou tyto typy způsobeny dipólem-dipólem a dalšími typy interakcí mezi atomy a molekulami, které tvoří třecí tělíska.
Příčina valivého tření souvisí s hysterezí elastické deformace, která se objevuje v bodě kontaktu mezi valivým předmětem a povrchem.
Třecí síla a koeficient tření
Všechny tři typy pevných třecích sil jsou popsány výrazy, které mají stejný tvar. Tady je ona:
Ft=µtN.
Zde N je síla působící kolmo k povrchu tělesa. Říká se tomu podpůrná reakce. Hodnota µt- se nazývá koeficient odpovídajícího typu tření.
Koeficienty pro kluzné a klidové tření jsou bezrozměrné veličiny. To lze pochopit při pohledu na rovnost třecí síly a koeficientu tření. Levá strana rovnice je vyjádřena v newtonech, pravá strana je rovněž vyjádřena v newtonech, protože N je síla.
Co se týče valivého tření, koeficient pro něj bude také bezrozměrná hodnota, nicméně je definován jako poměr lineární charakteristiky pružné deformace k poloměru valivého předmětu.
Je třeba říci, že typické hodnoty koeficientů kluzného a klidového tření jsou desetiny jednotky. Pro třenírolování, tento koeficient odpovídá setinám a tisícinám jednotky.
Jak zjistit koeficient tření?
Koeficient µtzávisí na řadě faktorů, které je obtížné matematicky zohlednit. Uvádíme některé z nich:
- materiál třecích ploch;
- kvalita povrchu;
- přítomnost nečistot, vody a tak dále;
- povrchové teploty.
Proto neexistuje žádný vzorec pro µt a musí se měřit experimentálně. Abychom pochopili, jak najít koeficient tření, měl by být vyjádřen vzorcem pro Ft. Máme:
µt =Ft/N.
Ukazuje se, že k poznání µt je nutné najít třecí sílu a podpůrnou reakci.
Odpovídající experiment se provádí následovně:
- Vezměte si tělo a letadlo, například ze dřeva.
- Připevněte dynamometr k tělu a rovnoměrně s ním pohybujte po povrchu.
Zároveň dynamometr ukazuje určitou sílu, která se rovná Ft. Reakce země se rovná váze těla na vodorovném povrchu.
Popsaná metoda vám umožní pochopit, jaký je koeficient statického a kluzného tření. Podobně můžete experimentálně určit µtrolling.
Další experimentální metoda pro stanovení µt je uvedena ve formě problému v následujícím odstavci.
Problém s výpočtem µt
Dřevěný trám je na skleněném povrchu. Hladkým nakláněním povrchu jsme zjistili, že klouzání paprsku začíná pod úhlem sklonu 15o. Jaký je koeficient statického tření pro pár dřevo-sklo?
Když byl paprsek na nakloněné rovině při 15o, pak zbývající třecí síla pro něj měla maximální hodnotu. Je rovno:
Ft=mgsin(α).
Síla N je určena vzorcem:
N=mgcos(α).
Použitím vzorce pro µt dostaneme:
µt=Ft/N=mgsin(α)/(mgcos(α))=tg(α).
Dosazením úhlu α dospějeme k odpovědi: µt=0, 27.
