Bawat isa sa atin ay pamilyar sa pagpapakita ng puwersa ng alitan. Sa katunayan, ang anumang paggalaw sa pang-araw-araw na buhay, kung ito ay naglalakad ng isang tao o gumagalaw ng isang sasakyan, ay imposible nang walang paglahok ng puwersang ito. Sa pisika, kaugalian na pag-aralan ang tatlong uri ng pwersa ng friction. Sa artikulong ito, isasaalang-alang natin ang isa sa mga ito, malalaman natin kung ano ang static friction.
Bar sa pahalang na ibabaw
Bago magpatuloy sa pagsagot sa mga tanong, ano ang static friction force at ano ang katumbas nito, isaalang-alang natin ang isang simpleng case na may bar na nasa pahalang na ibabaw.
Suriin natin kung anong pwersa ang kumikilos sa bar. Ang una ay ang bigat ng item mismo. Tukuyin natin ito ng titik P. Ito ay nakadirekta patayo pababa. Pangalawa, ito ang reaksyon ng suporta N. Ito ay nakadirekta patayo pataas. Ang pangalawang batas ni Newton para sa kasong isinasaalang-alang ay isusulat sa sumusunod na anyo:
ma=P - N.
Ang minus sign dito ay sumasalamin sa magkasalungat na direksyon ng weight at support reaction vectors. Dahil ang bloke ay nakapahinga, ang halaga ng a ay zero. Ang ibig sabihin ng huli ay:
P - N=0=>
P=N.
Ang reaksyon ng suporta ay nagbabalanse sa bigat ng katawan at katumbas nito sa ganap na halaga.
Panlabas na puwersa na kumikilos sa isang bar sa pahalang na ibabaw
Ngayon, magdagdag tayo ng isa pang puwersang kumikilos sa sitwasyong inilarawan sa itaas. Ipagpalagay natin na ang isang tao ay nagsimulang itulak ang isang bloke sa isang pahalang na ibabaw. Ipahiwatig natin ang puwersang ito sa pamamagitan ng letrang F. Mapapansin ng isa ang isang kamangha-manghang sitwasyon: kung maliit ang puwersa F, sa kabila ng pagkilos nito, ang bar ay patuloy na nagpapahinga sa ibabaw. Ang bigat ng katawan at ang reaksyon ng suporta ay nakadirekta patayo sa ibabaw, kaya ang kanilang mga pahalang na projection ay katumbas ng zero. Sa madaling salita, ang pwersang P at N ay hindi makakalaban sa F sa anumang paraan. Kung gayon, bakit nananatiling nakapahinga ang bar at hindi gumagalaw?
Malinaw, dapat mayroong puwersa na nakadirekta laban sa puwersa F. Ang puwersang ito ay ang static friction. Ito ay nakadirekta laban sa F kasama ang isang pahalang na ibabaw. Ito ay kumikilos sa lugar ng pakikipag-ugnay sa pagitan ng ibabang gilid ng bar at sa ibabaw. Tukuyin natin ito ng simbolong Ft. Ang batas ni Newton para sa pahalang na projection ay isusulat bilang:
F=Ft.
Kaya, ang modulus ng static friction force ay palaging katumbas ng absolute value ng external forces na kumikilos sa pahalang na ibabaw.
Pagsisimula ng paggalaw ng bar
Upang isulat ang formula para sa static friction, ipagpatuloy natin ang eksperimento na sinimulan sa mga nakaraang talata ng artikulo. Tataasin natin ang ganap na halaga ng panlabas na puwersa F. Ang bar ay mananatili pa rin sa pahinga sa loob ng ilang oras, ngunit darating ang isang sandali kung kailan ito magsisimulang gumalaw. Sa puntong ito, maaabot ng static friction force ang maximum na halaga nito.
Para mahanap ang maximum na value na ito, kumuha ng isa pang bar na eksaktong kapareho ng una at ilagay ito sa itaas. Ang lugar ng contact ng bar na may ibabaw ay hindi nagbago, ngunit ang bigat nito ay nadoble. Napag-alaman sa eksperimento na nadoble din ang puwersa F ng detatsment ng bar mula sa ibabaw. Dahil sa katotohanang ito, naging posible na isulat ang sumusunod na formula para sa static friction:
Ft=µsP.
Ibig sabihin, ang maximum na halaga ng friction force ay lumalabas na proporsyonal sa bigat ng katawan P, kung saan ang parameter na µs ay gumaganap bilang isang proportionality coefficient. Ang value na µs ay tinatawag na static friction coefficient.
Dahil ang bigat ng katawan sa eksperimento ay katumbas ng support reaction force N, ang formula para sa Ft ay maaaring muling isulat tulad ng sumusunod:
Ft=µsN.
Hindi tulad ng nauna, ang expression na ito ay palaging magagamit, kahit na ang katawan ay nasa isang inclined plane. Ang modulus ng static friction force ay direktang proporsyonal sa support reaction force kung saan kumikilos ang surface sa katawan.
Pisikal na sanhi ng puwersa Ft
Ang tanong kung bakit nangyayari ang static friction ay kumplikado at nangangailangan ng pagsasaalang-alang ng contact sa pagitan ng mga katawan sa microscopic at atomic level.
Sa pangkalahatan, mayroong dalawang pisikal na sanhi ng puwersaFt:
- Mekanikal na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga taluktok at labangan.
- Physico-chemical interaction sa pagitan ng mga atom at molekula ng mga katawan.
Gaano man kakinis ang anumang ibabaw, mayroon itong mga iregularidad at inhomogeneities. Sa halos lahat, ang mga inhomogeneities na ito ay maaaring katawanin bilang mga microscopic na peak at troughs. Kapag ang rurok ng isang katawan ay bumagsak sa lukab ng isa pang katawan, ang mekanikal na pagkabit ay nangyayari sa pagitan ng mga katawan na ito. Ang malaking bilang ng mga microscopic coupling ay isa sa mga dahilan ng paglitaw ng static friction.
Ang pangalawang dahilan ay ang pisikal at kemikal na interaksyon sa pagitan ng mga molekula o atomo na bumubuo sa katawan. Ito ay kilala na kapag ang dalawang neutral na atomo ay lumalapit sa isa't isa, ang ilang electrochemical na pakikipag-ugnayan ay maaaring mangyari sa pagitan nila, halimbawa, dipole-dipole o van der Waals na mga pakikipag-ugnayan. Sa sandali ng pagsisimula ng kilusan, napipilitan ang bar na pagtagumpayan ang mga pakikipag-ugnayang ito upang humiwalay sa ibabaw.
Mga Tampok ng Ft strength
Nabanggit na sa itaas kung ano ang katumbas ng maximum na puwersa ng static friction, at ipinahiwatig din ang direksyon ng pagkilos nito. Dito inilista namin ang iba pang katangian ng dami Ft.
Ang resting friction ay hindi nakadepende sa contact area. Ito ay natutukoy lamang sa pamamagitan ng reaksyon ng suporta. Kung mas malaki ang lugar ng pakikipag-ugnay, mas maliit ang pagpapapangit ng mga mikroskopikong taluktok at labangan, ngunit mas malaki ang kanilang bilang. Ipinapaliwanag ng intuitive na katotohanang ito kung bakit hindi magbabago ang maximum Ftt kung ang bar ay i-flip sa gilid gamit ang mas maliitlugar.
Ang resting friction at sliding friction ay pareho ang katangian, na inilalarawan ng parehong mga formula, ngunit ang pangalawa ay palaging mas mababa kaysa sa una. Ang sliding friction ay nangyayari kapag ang block ay nagsimulang gumalaw sa ibabaw.
AngForce Ft ay isang hindi kilalang dami sa karamihan ng mga kaso. Ang formula na ibinigay sa itaas para dito ay tumutugma sa maximum na halaga ng Ft sa sandaling magsimulang gumalaw ang bar. Para mas malinaw na maunawaan ang katotohanang ito, nasa ibaba ang isang graph ng pagtitiwala ng puwersa Ft sa panlabas na impluwensya F.
Makikita na sa pagtaas ng F, ang static friction ay tumataas nang linearly, umaabot sa maximum, at pagkatapos ay bumababa kapag nagsimulang gumalaw ang katawan. Sa panahon ng paggalaw, hindi na maaaring pag-usapan ang tungkol sa puwersa Ft, dahil ito ay pinalitan ng sliding friction.
Sa wakas, ang huling mahalagang tampok ng Ft na lakas ay hindi ito nakadepende sa bilis ng paggalaw (sa medyo mataas na bilis, Ftnababawasan).
Coefficient of friction µs
Dahil µs ay lumalabas sa formula para sa friction modulus, ilang salita ang dapat sabihin tungkol dito.
Ang coefficient ng friction µs ay isang natatanging katangian ng dalawang surface. Ito ay hindi nakasalalay sa timbang ng katawan, ito ay tinutukoy sa eksperimento. Halimbawa, para sa isang pares ng puno-puno, ito ay nag-iiba mula 0.25 hanggang 0.5 depende sa uri ng puno at ang kalidad ng paggamot sa ibabaw ng mga gasgas na katawan. Para sa waxed wood ibabaw sabasang niyebe µs=0.14, at para sa mga joint ng tao ang coefficient na ito ay tumatagal ng napakababang halaga (≈0.01).
Anuman ang halaga ng µs para sa pares ng mga materyal na isinasaalang-alang, ang isang katulad na koepisyent ng sliding friction µk ay palaging magiging mas maliit. Halimbawa, kapag nag-slide ng puno sa isang puno, ito ay katumbas ng 0.2, at para sa mga kasukasuan ng tao ay hindi ito lalampas sa 0.003.
Susunod, isasaalang-alang natin ang solusyon ng dalawang pisikal na problema kung saan magagamit natin ang nakuhang kaalaman.
Bar sa isang hilig na ibabaw: puwersahang pagkalkula Ft
Ang unang gawain ay medyo simple. Ipagpalagay natin na ang isang bloke ng kahoy ay nasa ibabaw ng kahoy. Ang bigat nito ay 1.5 kg. Ang ibabaw ay nakahilig sa isang anggulo na 15o sa abot-tanaw. Kinakailangang matukoy ang static friction force kung alam na hindi gumagalaw ang bar.
Ang catch ng problemang ito ay maraming tao ang nagsisimula sa pamamagitan ng pagkalkula ng reaksyon ng suporta, at pagkatapos ay ginagamit ang reference na data para sa coefficient ng friction µs, gamitin ang nasa itaas formula upang matukoy ang maximum na halaga ng F t. Gayunpaman, sa kasong ito, ang Ft ay hindi ang maximum. Ang modulus nito ay katumbas lamang ng panlabas na puwersa, na may posibilidad na ilipat ang bar mula sa lugar nito pababa ng eroplano. Ang puwersang ito ay:
F=mgsin(α).
Pagkatapos ang friction force Ft ay magiging katumbas ng F. Ang pagpapalit ng data sa equality, makukuha natin ang sagot: ang static friction force sa isang inclined plane F t=3.81 newtons.
Bar sa isang inclined surface: pagkalkulamaximum na anggulo ng pagtabingi
Ngayon, lutasin natin ang sumusunod na problema: ang isang kahoy na bloke ay nasa isang kahoy na hilig na eroplano. Ipagpalagay na ang koepisyent ng friction ay katumbas ng 0.4, kinakailangan upang mahanap ang pinakamataas na anggulo ng pagkahilig α ng eroplano sa abot-tanaw, kung saan magsisimulang mag-slide ang bar.
Magsisimula ang pag-slide kapag ang projection ng bigat ng katawan sa eroplano ay naging katumbas ng maximum na static friction force. Isulat natin ang kaukulang kundisyon:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Ang pagpapalit ng value na µs=0, 4 sa huling equation, makukuha natin ang α=21, 8o.
