|
Siła tarcia
Równia pochyła
Siła tarcia
Siła tarcia jest siłą bierną, tzn., że pojawia się kiedy na stykające się
ciała zaczynają działać siły równoległe do podłoża. Rozważmy przypadek, w którym
przesuwamy szafę (rys. 1) Q-ciężar ciała, równy naciskowi(N), bo ciało jest
na płaskiej powierzchni, Fr-siła reakcji podłoża.
 
rys.1
Rys. 2 odcinek nachylony- tarcie statyczne,
odcinek równoległy do osi F- tarcie dynamiczne
Człowiek działa na szafę taką siłą F, że
pod jej wpływem szafa się nie przesuwa. Dzieje się tak ponieważ w chwili,
kiedy człowiek przyłożył siłę F pojawiła się siła tarcia T równa co dowartości
sile F, lecz zawsze przeciwnie skierowaną do jej zwrotu F=T. Załóżmy,
że człowiek zwiększa przyłożoną do szafy siłę F (ale tak, że szafa
wciąż pozostaje w spoczynku), wtedy siła tarcia także wzrasta i wciąż będzie
spełniona równość F=T. Siłę tarcia, która działa na ciało nie będące
w ruchu nazywamy tarciem statycznym lub spoczynkowym. A teraz
przyjrzyjmy się momentowi, w którym człowiek przyłożył taką siłę, że
ciało zaczęło się przemieszczać. Siła tarcia statycznego osiągnęła w
tym momencie mamksymalną wartość, po czym siła racia uległa zmniejszeniu-
ta siła to tarcie dynamiczne lub poślizgowe, do którego wrócimy później. Na wykresie (rys. 2) pokazano jak zmienia się wartość
siły tarcia T w zależności od przyłożonej siły F.
Siła tarcia statycznego zależy od rodzaju podłoża (a właściwie rodzaju stykających
się powierzchni) oraz siły nacisku (na równym podłożu jest równa ciężarowi, N=Q, inaczej
rzecz się przedstawia na równi pochyłej). Wzór na
maksymalne tarcie statyczne, czyli wartość siły tarcia, po której przekroczeniu
ciało ruszy z miejsca to: Tmax=f0N, gdzie f0- współczynnik
tarcia statycznego.
Kiedy siła F przekroczy wartość Tmax to ruchowi ciała przeciwdziała zawsze mniejsze
tarcie posiadające stałą wartość, bez względu na prędkość ciała- tarcie poślizgowe (dynamiczne).
Wzór wyrażający jego wartość jest podobny do wzoru na tarcie statyczne:
T=fN, ale f- jest współczynnikiem tarcia dynamicznego, zazwyczaj jest
mniejszy niż współczynnik tarcia statycznego.
Równia pochyła
Rozważmy jakie siły towarzyszą ciału znajdującemu się na rówi pochyłej
o wysokości h, długości równi l, długości podstawy x i kącie nachylenia
a, kiedy ciało zacznie się zsuwać i dlaczego.
Ciało znajdujące się na równi pochyłej działa siłą ciężkości Q,
której wektor skierowany jest prostopadle do podłoża. Rozłużmy wektor
siły Q na składowe:
- siła nacisku N, skierowana zawsze prostopadle do powierzchni równi
- siła powodująca zsuwanie ciała Fs, której wektor jest
równoległy do powierzchni równi
Ponadto występują jeszcze siły FR- siła reakcji podłoża, która
równoważy siłę nacisku N oraz siła tarcia
- przeciwnie skierowana do siły Fs i równa jej jeżeli ciało
nie zsuwa się z równi.
Kąt jaki tworzy ze sobą siła nacisku N i ciężar Q jest zawsze taki sam
jak kąt nachylenia równi (ponieważ trójkąt xhl jest podobny do trójkąta
NFsQ), więc dysponując ciężarem i kątem nachylenia równi pochyłej
możemy wyliczyć każdą siłę. I tak:
sina=Fs/Q, czyli Fs=Qsina
cosa=N/Q, czyli N=Qcosa
Ponadto prawdziwe są proporcje:
N/Q=x/l , z twierdzenia Pitagorasa , więc

oraz


Pozostaje nam jeszcze jedna siła- siła tarcia. Jeżeli ciało na równi pozostaje w spoczynku to
siła tarcia jest równa sile zsuwania. Dzięki temu za pomocą równi możemy obliczać
współczynniki tarcia statycznego. Aby to zrobić należy umieścić ciało na równi o jak
największym kącie nachylenia, przy czym ciało nie może się przemieszczać!
Wtedy Fs=Tmax (Tmax-maksymalna wartość tarcia statycznego), wiemy też, że:
Tmax=f0N, więc:
Fs=f0N, i tak otrzymujemy
f0=Fs/N Korzystając z wcześniej wyprowadzonych wzorów otrzymujemy:
f0=Qsina/Qcosa, co po przekształceniu
daje: f0=tga
|