Ang friction ay isang pisikal na kababalaghan na pinaghihirapan ng isang tao upang mabawasan ito sa anumang umiikot at dumudulas na bahagi ng mga mekanismo, kung wala ito, gayunpaman, ang paggalaw ng alinman sa mga mekanismong ito ay imposible. Sa artikulong ito, isasaalang-alang natin, mula sa punto ng view ng pisika, kung ano ang puwersa ng rolling friction.
Anong uri ng friction force ang umiiral sa kalikasan?
Una sa lahat, isaalang-alang kung anong lugar ang nangyayari sa rolling friction sa iba pang friction forces. Ang mga puwersang ito ay lumitaw bilang resulta ng pakikipag-ugnay ng dalawang magkaibang katawan. Maaari itong maging solid, likido o gas na katawan. Halimbawa, ang paglipad ng isang sasakyang panghimpapawid sa troposphere ay sinamahan ng pagkakaroon ng friction sa pagitan ng mga molekula ng katawan at hangin nito.
Isinasaalang-alang ang mga eksklusibong solidong katawan, ibinubukod namin ang friction forces ng pahinga, pag-slide at pag-roll. Napansin ng bawat isa sa atin: upang maalis ang isang kahon sa sahig, kinakailangan na maglapat ng ilang puwersa sa ibabaw ng sahig. Ang halaga ng puwersa na maglalabas ng mga kahon sa pahinga ay magiging katumbas ng ganap na halaga sa puwersa ng friction ng pahinga. Ang huli ay kumikilos sa pagitan ng ilalim ng kahon at ng ibabaw ng sahig.
Paanosa sandaling ang kahon ay nagsimula na sa paggalaw nito, ang isang pare-parehong puwersa ay dapat ilapat upang panatilihing pare-pareho ang paggalaw na ito. Ang katotohanang ito ay konektado sa katotohanan na sa pagitan ng contact ng sahig at ng kahon, ang sliding friction force ay kumikilos sa huli. Bilang panuntunan, ito ay ilang sampu-sampung porsyentong mas mababa kaysa sa static friction.
Kung maglalagay ka ng mga bilog na silindro ng matigas na materyal sa ilalim ng kahon, magiging mas madali itong ilipat. Ang rolling friction force ay kikilos sa mga cylinder na umiikot sa proseso ng paggalaw sa ilalim ng kahon. Ito ay kadalasang mas maliit kaysa sa nakaraang dalawang pwersa. Iyon ang dahilan kung bakit ang pag-imbento ng gulong ng sangkatauhan ay isang malaking hakbang tungo sa pag-unlad, dahil ang mga tao ay nagawang maglipat ng mas malalaking kargada nang may kaunting puwersa.
Pisikal na katangian ng rolling friction
Bakit nangyayari ang rolling friction? Ang tanong na ito ay hindi madali. Upang masagot ito, dapat isaalang-alang nang detalyado kung ano ang nangyayari sa gulong at sa ibabaw sa panahon ng proseso ng pag-roll. Una sa lahat, hindi sila perpektong makinis - ni ang ibabaw ng gulong, o ang ibabaw kung saan ito gumulong. Gayunpaman, hindi ito ang pangunahing sanhi ng alitan. Ang pangunahing dahilan ay ang pagpapapangit ng isa o parehong katawan.
Anumang katawan, anuman ang solidong materyal na gawa sa mga ito, ay deformed. Kung mas malaki ang bigat ng katawan, mas malaki ang presyur na ibinibigay nito sa ibabaw, na nangangahulugang nababago nito ang sarili sa punto ng pakikipag-ugnay at nababago ang ibabaw. Ang pagpapapangit na ito sa ilang mga kaso ay napakaliit na hindi ito lalampas sa nababanat na limitasyon.
Bsa panahon ng pag-ikot ng gulong, ang mga deformed na lugar pagkatapos ng pagwawakas ng pakikipag-ugnay sa ibabaw ay nagpapanumbalik ng kanilang orihinal na hugis. Gayunpaman, ang mga pagpapapangit na ito ay paulit-ulit sa isang bagong rebolusyon ng gulong. Ang anumang paikot na pagpapapangit, kahit na ito ay nasa nababanat na limitasyon, ay sinamahan ng hysteresis. Sa madaling salita, sa antas ng mikroskopiko, ang hugis ng katawan bago at pagkatapos ng pagpapapangit ay iba. Ang hysteresis ng mga deformation cycle sa panahon ng pag-ikot ng gulong ay humahantong sa "dispersion" ng enerhiya, na nagpapakita ng sarili sa pagsasanay sa anyo ng hitsura ng isang gumulong na puwersa ng friction.
Perfect Body Rolling
Sa ilalim ng perpektong katawan sa kasong ito, ang ibig naming sabihin ay hindi ito nababago. Sa kaso ng isang mainam na gulong, ang lugar ng pagkakadikit nito sa ibabaw ay zero (ito ay dumampi sa ibabaw sa kahabaan ng linya).
Ilarawan natin ang mga puwersang kumikilos sa isang hindi nababagong gulong. Una, ito ay dalawang patayong pwersa: ang timbang ng katawan P at ang puwersa ng reaksyon ng suporta N. Ang parehong pwersa ay dumadaan sa gitna ng masa (axis ng gulong), samakatuwid hindi sila nakikibahagi sa paglikha ng metalikang kuwintas. Para sa kanila, maaari kang sumulat ng:
P=N
Pangalawa, ito ay dalawang pahalang na puwersa: isang panlabas na puwersa F na nagtutulak sa gulong pasulong (dumaan ito sa gitna ng masa), at isang gumulong na puwersa ng friction fr. Lumilikha ang huli ng torque M. Para sa kanila, maaari mong isulat ang mga sumusunod na pagkakapantay-pantay:
M=frr;
F=fr
Narito ang radius ng gulong. Ang mga pagkakapantay-pantay na ito ay naglalaman ng isang napakahalagang konklusyon. Kung ang friction force fr ay napakaliit, kung gayonlilikha pa rin ng metalikang kuwintas na magiging sanhi ng paggalaw ng gulong. Dahil ang panlabas na puwersa F ay katumbas ng fr, kung gayon ang anumang walang katapusang maliit na halaga ng F ay magiging sanhi ng paggulong ng gulong. Nangangahulugan ito na kung ang rolling body ay perpekto at hindi nakakaranas ng deformation habang gumagalaw, hindi na kailangang pag-usapan ang anumang rolling friction force.
Lahat ng umiiral na katawan ay totoo, ibig sabihin, nakakaranas sila ng deformation.
Real body rolling
Ngayon isaalang-alang ang sitwasyong inilarawan sa itaas para lamang sa kaso ng mga tunay (nababagong) katawan. Ang lugar ng contact sa pagitan ng gulong at ibabaw ay hindi na magiging zero, magkakaroon na ito ng ilang finite value.
Suriin natin ang mga puwersa. Magsimula tayo sa pagkilos ng mga vertical na puwersa, iyon ay, ang bigat at reaksyon ng suporta. Pantay-pantay pa rin sila sa isa't isa, ibig sabihin:
N=P
Gayunpaman, ang puwersa N ngayon ay kumikilos nang patayo pataas hindi sa pamamagitan ng wheel axle, ngunit bahagyang naililipat mula rito ng isang distansya d. Kung iniisip natin ang lugar ng contact ng gulong na may ibabaw bilang lugar ng isang rektanggulo, kung gayon ang haba ng parihaba na ito ay ang kapal ng gulong, at ang lapad ay magiging katumbas ng 2d.
Ngayon ay lumipat tayo sa pagsasaalang-alang ng mga pahalang na puwersa. Ang panlabas na puwersa F ay hindi pa rin lumilikha ng isang metalikang kuwintas at katumbas ng friction force na fr sa ganap na halaga, iyon ay:
F=fr.
Ang sandali ng mga puwersa na humahantong sa pag-ikot ay lilikha ng friction frat ang reaksyon ng suporta N. Bukod dito, ang mga sandaling ito ay ididirekta sa iba't ibang direksyon. Ang katumbas na expression ayuri:
M=Nd - frr
Sa kaso ng pare-parehong paggalaw, ang sandaling M ay magiging katumbas ng zero, kaya makakakuha tayo ng:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Ang huling pagkakapantay-pantay, na isinasaalang-alang ang mga formula na nakasulat sa itaas, ay maaaring muling isulat tulad ng sumusunod:
F=d/rP
Sa katunayan, nakuha namin ang pangunahing formula para sa pag-unawa sa rolling friction force. Sa karagdagang artikulo ay susuriin natin ito.
Rolling resistance coefficient
Ang coefficient na ito ay naipakilala na sa itaas. Ang isang geometric na paliwanag ay ibinigay din. Pinag-uusapan natin ang halaga ng d. Malinaw, kung mas malaki ang halagang ito, mas malaki ang sandali na lumilikha ng puwersa ng reaksyon ng suporta, na pumipigil sa paggalaw ng gulong.
Ang rolling resistance coefficient d, sa kaibahan sa mga coefficient ng static at sliding friction, ay isang dimensional na halaga. Ito ay sinusukat sa mga yunit ng haba. Sa mga talahanayan, kadalasang ibinibigay ito sa milimetro. Halimbawa, para sa mga gulong ng tren na gumugulong sa bakal na riles, d=0.5 mm. Ang halaga ng d ay depende sa tigas ng dalawang materyales, ang pagkarga sa gulong, ang temperatura at ilang iba pang salik.
Rolling friction coefficient
Huwag ipagkamali ito sa dating coefficient d. Ang rolling friction coefficient ay tinutukoy ng simbolo na Cr at kinakalkula gamit ang sumusunod na formula:
Cr=d/r
Ang pagkakapantay-pantay na ito ay nangangahulugan na ang Cr ay walang sukat. Siya ang ibinigay sa isang bilang ng mga talahanayan na naglalaman ng impormasyon sa itinuturing na uri ng alitan. Ang coefficient na ito ay maginhawang gamitin para sa mga praktikal na kalkulasyon,dahil hindi kasama ang pag-alam sa radius ng gulong.
Ang halaga ng Cr sa karamihan ng mga kaso ay mas mababa kaysa sa mga coefficient ng friction at rest. Halimbawa, para sa mga gulong ng kotse na gumagalaw sa asp alto, ang halaga ng Cr ay nasa loob ng ilang daan (0.01 - 0.06). Gayunpaman, ito ay tumataas nang malaki kapag nagpapatakbo ng mga flat na gulong sa damuhan at buhangin (≈0.4).
Pagsusuri ng resultang formula para sa puwersa fr
Isulat nating muli ang formula sa itaas para sa rolling friction force:
F=d/rP=fr
Mula sa pagkakapantay-pantay, mas malaki ang diameter ng gulong, mas kaunting puwersa F ang dapat ilapat upang ito ay magsimulang gumalaw. Ngayon isinusulat namin ang pagkakapantay-pantay na ito sa pamamagitan ng coefficient Cr, mayroon kaming:
fr=CrP
Tulad ng nakikita mo, ang puwersa ng friction ay direktang proporsyonal sa bigat ng katawan. Bilang karagdagan, sa isang makabuluhang pagtaas sa timbang P, ang coefficient Cr mismo ay nagbabago (tumataas ito dahil sa pagtaas ng d). Sa karamihan ng mga praktikal na kaso, ang Cr ay nasa loob ng ilang daan. Sa turn, ang halaga ng koepisyent ng sliding friction ay nasa loob ng ilang ikasampu. Dahil pareho ang mga formula para sa rolling at sliding friction forces, lumalabas na kapaki-pakinabang ang rolling mula sa energy point of view (ang force fr ay isang order ng magnitude na mas mababa kaysa sa sliding force sa pinakapraktikal na sitwasyon).
Rolling condition
Marami sa atin ang nakaranas ng problema ng pagkadulas ng mga gulong ng kotse kapag nagmamaneho sa yelo o putik. Bakit itonangyayari? Ang susi sa pagsagot sa tanong na ito ay nakasalalay sa ratio ng mga ganap na halaga ng mga puwersa ng rolling at rest friction. Isulat muli natin ang rolling formula:
F ≧ CrP
Kapag ang puwersa F ay mas malaki kaysa o katumbas ng gumulong friction, magsisimulang gumulong ang gulong. Gayunpaman, kung mas maagang lumampas ang puwersang ito sa halaga ng static friction, mas maagang madulas ang gulong kaysa sa pag-ikot nito.
Kaya, ang slip effect ay tinutukoy ng ratio ng mga coefficient ng static friction at rolling friction.
Mga paraan para malabanan ang pagkadulas ng gulong ng kotse
Ang gumulong na friction ng gulong ng kotse sa madulas na ibabaw (halimbawa, sa yelo) ay nailalarawan sa pamamagitan ng coefficient Cr=0.01-0.06. Gayunpaman, ang mga halaga ng ang parehong pagkakasunud-sunod ay karaniwan para sa coefficient static friction.
Upang maiwasan ang panganib ng pagkadulas ng gulong, ginagamit ang mga espesyal na gulong na "taglamig", kung saan inilalagay ang mga metal spike. Ang huli, na bumagsak sa ibabaw ng yelo, ay nagpapataas ng coefficient ng static friction.
Ang isa pang paraan upang mapataas ang static friction ay ang pagbabago sa ibabaw kung saan gumagalaw ang gulong. Halimbawa, sa pamamagitan ng pagwiwisik dito ng buhangin o asin.
