Este frecarea utilă sau dăunătoare? Mulți nu au ezitat să răspundă: „! Desigur, rău“ Dar, dacă nu ar exista frecare, nu am putut merge pe teren (amintiți-vă cum aluneca picioarele pe gheață), era imposibil să o plimbare cu bicicleta, o mașină, o motocicletă (roți au filat pe loc), am avea nimic de a purta ( un fir în materialul textil menținut de către forțele de frecare). Dacă nu ar exista frecare, tot mobilierul din camera s-au pierdut într-un colț, farfurii, cești și farfurioare ar fi alunecat de pe masa, cuie și șuruburi nu sunt ținute pe perete, nu un singur lucru ar fi imposibil să dețină în mâinile lor, și așa mai departe. D. Și .. etc poate fi adăugat că, în cazul în care nu au existat frecare este necunoscut, deoarece a dus la dezvoltarea civilizației în lume - de fapt, strămoșii noștri minat de foc prin frecare.
Lista acestor "ororii" poate fi continuată pe o perioadă nedeterminată, dar este, de asemenea, evident că fricțiunea nu este un fenomen dăunător. Este dăunător doar în mașini, iar inginerii se luptă acolo cu ea, aplicând rulmenți cu bile, lubrifianți etc.
Ce este fricțiunea?
Când se deplasează un corp pe suprafața altui, există întotdeauna o forță care împiedică mișcarea. Se numește forța de frecare.
Frecare - o consecință a mai multor factori, dar cele mai importante sunt două. În primul rând, suprafețele corpurilor sunt întotdeauna inegale, iar crestăturile unei suprafețe se agață de rugozitatea celuilalt. Aceasta este așa numita fricțiune geometrică. (Chiar și cea mai netedă suprafață de pe ochi sub microscop sunt aspre, cu vai si creste.) În al doilea rând, corpul de frecare foarte strâns contact unul cu celălalt, iar mișcarea lor afectează interacțiunea moleculelor (frecare moleculare). Prin urmare, formula pentru forța de frecare poate fi scrisă ca: F = # 945; N + # 946; S.
În această formulă # 945; și # 946; - coeficienți constanți, N - forța presiunii normale și S - zona de contact a corpurilor de frecare. Deoarece zona de contact nu este foarte mică, deformările corpurilor de contact sunt neglijabile.
Formula de mai sus este complexă și, prin urmare, inginerii folosesc o formulă mai simplă în calculele lor: F = kN. Se scrie astfel: forța de frecare este proporțională cu forța presiunii normale. Coeficientul de proporționalitate k se numește coeficientul de frecare.
Formula F = kN poate fi derivată după cum urmează. Să presupunem că avem un corp de plastic, t. E. Unul care curge sub propria greutate, cum ar fi CAST, Var. Pentru astfel de organism zona de contact este direct proporțională cu puterea presiunii normale: S = # 947; N. Ecuația forță de frecare Prin urmare, pentru corpurile de plastic scrisă inițial poate fi rescrisă ca: F = # 945; N + # 946; S = # 945; N + # 946; # 947; N = (# 945 + # 946; # 947;) = kN . Prin urmare, formula F = kN valabile pentru corpurile de plastic. Dar este de obicei folosit pentru toate organismele, deoarece gradul de reflexie a realității este foarte mare.
Legea F = kN devine incorectă când forța de presiune normală sau viteza de mișcare este mare. În acest caz, prea multă căldură este eliberată, ceea ce afectează frecare.
Acesta poate fi verificat experimental, că forța de frecare depinde doar de calitatea și rezistența frecarea suprafețelor de presiune normală, și este independentă de zona de contact. Dacă pui o bucată de lemn pe linie (sau o carte), prima plată și apoi muchie (partea îngustă) și ridicați un capăt al liniei, bara începe să alunece în jos întotdeauna la aceeași valoare a unghiului unui (fig. 3). Acest lucru sugerează că forța de frecare este independentă de zona de contact.
În loc de bara, puteți lua o cutie de potrivire, în care se toarnă nisip pentru gravitație. Doar o casetă de potrivire trebuie mai întâi să fie lipită cu hârtie, astfel încât toate părțile laterale ale cutiei să fie identice în ceea ce privește frecare.
Coeficientul de frecare este determinat după cum urmează. Forța necesară pentru a deplasa un corp pe suprafața celuilalt este măsurată de un dinamometru și împarte forța de forță primită de greutatea corpului. Coeficienții găsiți sunt înscriși în cărțile de referință privind fizica. Dacă aveți nevoie de un coeficient de frecare pentru a rezolva o problemă practică particulară, o puteți lua de pe masă. Trebuie doar să ne amintim că valorile coeficienților de frecare dat acolo sunt aproximative. După frecare suprafețe, de regulă, sunt poluate. Ele sunt rugină, oxizi și alte incluziuni străine, care, firește, afectează cantitatea de frecare. Având în vedere că gradul de contaminare a suprafețelor cu determinarea experimentală coeficientului de frecare nu se cunoaște cu exactitate, atunci, strict vorbind, noi nu știm ce fel de frecare avem. De exemplu, având în vedere în coeficientul de frecare de referință de cupru de cupru, de fapt, nu coeficientul de frecare dintre cele două suprafețe de cupru, iar coeficientul de frecare dintre unele poluare disponibile pe cupru.
Ia valoarea coeficientului de frecare pentru suprafețe absolut imposibil de curățat. Să presupunem că ne-am curățat și lustruit bar două cupru, scos din grăsimea lor, degazat sub vid, etc. Dacă vom adăuga acum două bucăți de cupru împreună, se lipesc împreună și formează o singură bucată de metal - .. Deoarece atomii de la interfața, la figurat vorbind, ei pot ști ce bar din care fac parte.
Acest fenomen poate fi ilustrat prin următorul experiment.
Legați firul piciorului de pahar și puneți-l pe o masă acoperită cu sticlă. Dacă trageți firul, sticla va aluneca ușor pe geam. Acum, umeziti paharul cu apa. Mișcarea geamului va fi mult mai dificilă. Dacă vă uitați la sticlă, veți observa chiar zgârieturi. Faptul este că apa a îndepărtat grăsimea și alte substanțe care au contaminat suprafețele de frecare. A fost format un contact clar din sticlă de sticlă. Este atât de bun încât este mai ușor să rupă bucăți de sticlă (să faceți zgârieturi) decât să întrerupeți contactul.
Lăsați un anumit corp să se întindă pe o suprafață netăcintă (Figura 4). Forța gravitațională P este echilibrată de reacția normală N. Aplicăm o forță mică Q1. dar corpul nu se mișcă. Aceasta înseamnă că este menținută de forța de frecare Fu, care este egală cu forța Q1. Să creștem forța Q1 puțin pe Q2. Corpul continuă să rămână în repaus. Aceasta indică faptul că nu permite forța de frecare F2. egal cu Q2. Și așa mai departe. Dar forța Q poate fi mărită pe o perioadă nedefinită, iar forța de frecare nu poate fi mai mare decât valoarea maximă posibilă F = kN. Atunci când Q devine egal cu forța maximă de frecare, acest moment se numește pragul de așteptare sau pragul de defalcare. Următorul moment în care mișcarea începe.
În consecință, forța de frecare variază de la zero la o valoare maximă de kN. Când nu există forță de tragere, nu există forță de frecare. În prezența unei forțe motrice, apare o forță de frecare.
Câteva cuvinte despre conul de frecare.
Lăsați corpul de greutate P să se deplaseze sub acțiunea forței T de-a lungul unei suprafețe aspre (Figura 5). Pe de o parte, nu permite suprafața corpului să cadă în jos de R. gravitatiei Pe de altă parte, suprafața împiedică libera circulație a corpului sub T. forță Astfel, fricțional forța F în același mod ca și un răspuns normal cauzat de o viață de suprafață, t adică, forța de frecare este, de asemenea, o reacție. Reacția normală și forța de frecare sunt adăugate la reacția totală R, care este deviată de unghiul normal # 966 ;. Acest unghi este numit unghiul de frecare. Cu ajutorul fig. 5 este ușor de calculat ceea ce este egal cu tangenta unghiului de frecare
adică, tangenta unghiului de frecare este numeric egală cu coeficientul de frecare.
Acum, imaginați-vă că rotiți o reacție completă în jurul valorii normale la suprafață. În acest caz, forța R descrie un con, care se numește conul de frecare. Este interesant faptul că regiunea delimitată de conul de frecare, definește domeniul de aplicare al soldului pentru organism, în cazul în care forța care acționează asupra corpului în conul de frecare, aceasta nu se va muta corpul, indiferent cât de mare a fost; Dacă forța acționează asupra corpului în afara conului de frecare, acesta mișcă corpul, indiferent cât de mic este.
Să vedem de ce se întâmplă acest lucru.
Dacă forța Q acționează în interiorul conului de frecare, forța de forfecare Q1 = Qsin # 945; (Figura 6). Calculam forța de frecare: F = kN = kQcos # 945; = Qcos # 945; tg # 966 ;. Factorul de siguranță F-Q1 = Q (cos # 945; tg # 966; -sin # 945;) = Qsin (# 966; - # 945;) / cos # 966 ;. Astfel, marja de siguranță este proporțională cu Q, deoarece păcatul (# 966; - # 945;) / cos # 966; este o constantă. Cu cât forța Q este mai mare, cu atât forța de susținere F-Q1 este mai mare.
Construcția de frecare a conului este foarte simplă. Să, de exemplu, trebuie să construim un con de frecare pentru o bară de oțel, susținută de o placă din fontă. Ne uităm în director și găsim coeficientul de frecare pentru oțel pe fontă. Oi este 0,16. Prin urmare, este necesar să se construiască un con, în care generatorul ar fi înclinat la normal la un unghi de 9 °, deoarece tangenta este de aproximativ 9 ° 0,16 (sin 9 ° = 0,1584). Este clar că cu cât este mai mare coeficientul de frecare, cu atât este mai mare unghiul în conul de frecare și invers.
Să știi cum să construiești un con de frecare este de ce.
Odată, în München, podul sa prăbușit și nu era vântul care era uragan, nu regimentul soldaților marșând în picioare, care era de vină. con de frecare.
Acest pod de la un capăt a fost fixat cu o balama, iar celălalt - așezat pe role. Podul este întotdeauna fixat astfel încât să nu se îndoaie sub fluctuațiile de temperatură. Balama a fost umpluta cu pasta, care o proteja de coroziune. Într-o zi fierbinte de vară, pasta sa topit și vâscozitatea sa a devenit mai mică. Natura fricțiunii sa schimbat - și ea a scăzut. Conul de frecare se îngustează și forța de presiune asupra suportului depășește conul (figura 7). Balanța s-a rupt, iar podul sa prăbușit.
Inginerii trebuie adesea să construiască un con de fricțiune pentru a determina dacă construcția dată va fi în echilibru sau nu. Dar cu conul de fricțiune, inginerii nu sunt singuri. Fiecare dintre noi se confruntă cu acest fenomen fizic zilnic.
Pentru a ajunge la ieșire într-un autobuz sau troleibuz aglomerat, trebuie să vă loviți cu un șarpe. Facem acest lucru inconștient, fără să ne gândim că în acest fel ieșim din conuri de frecare în locurile de contact cu alți pasageri.
Am plimbare pe patinaj, fie la locul de muncă du-te, dacă în paginile cărții rândul său, peste - peste tot ne întâlnim cu frecare și, în special, cu conul de frecare.
Să luăm în considerare un alt exemplu practic referitor la frecare. La ce unghi este mai avantajos să trageți coarda pentru a deplasa o sarcină mare P de-a lungul planului orizontal?
Vom proiecta toate forțele care acționează asupra încărcăturii P (Figura 8), pe direcțiile orizontale și verticale. Obține două ecuații: Q cos # 945; -kN = 0 și Qsin # 945; + N-P = 0 din care vom găsi forța Q: Q = P păcat # 966; / cos (# 945 - # 966;). Noi vedem că Q este minimă dacă a = f, t. E. Este cea mai avantajoasă pentru a trage la un unghi egal cu unghiul de frecare. Având în vedere că planul este mai neted, cu atât mai mult ar trebui să fie luată coarda.
Acum hai să vorbim despre formula lui Euler.
Ai văzut cum împiedică cursul navei care sa apropiat de dig? De la barca cu aburi până la dig, se aruncă o funie, la sfârșitul căreia se face o bucla largă. Omul în picioare pe doc, a pus pe o buclă pe Bollard a, un marinar de pe nava pune rapid coarda între bolarzi - așa-numitele mese mici, fortificată de la bord. Forța de frecare dintre frânghii și boluri oprește mișcarea vasului.
Este forța de fricțiune atât de mare în acest caz? Imaginați-vă că ridicați încărcătura din mină cu o funie aruncată peste un bloc fix (Figura 9). Dacă nu a existat nici o frecare, atunci ridicând încărcătura, ar trebui să aplicăm o forță exactă egală cu greutatea încărcăturii. Dar, deoarece există o frecare între coardă și bloc, este necesar să se aplice forța T> P pentru a ridica sarcina P. Forța T necesară pentru ridicarea sarcinii P se calculează după formula lui Euler: T = P k # 966; Aici e este baza logaritmilor naturali, k este coeficientul de frecare și # 966; - unghiul de acoperire a blocului printr-un cablu, exprimat în radiani.
Să calculăm cât de multă putere trebuie să atașați pentru a păstra nava la dig. Lăsați nava în mișcare să tragă coarda cu o forță de 10 tone. Coeficientul de frecare al frânghiei față de bordura de fier este cunoscut. Este egal cu 0,35. Să presupunem că marinarul a înfășurat frânghia de aproximativ trei ori. Apoi, unghiul de acoperire al bustului de către coardă este φ = 6π. Înlocuind valorile T, k și φ în formula Euler, obținem ecuația 10 000 = P • 2,72 6π • 0,35. din care găsim forța P. Este de aproximativ 15 kg. Prin urmare, pentru a menține nava în funcțiune, marinarul trebuie să țină coarda cu o forță de 15 kg. De obicei, marinarul, care a înfășurat frânghia de mai multe ori în jurul bolilor, pur și simplu ține capătul liber al frânghiei cu piciorul, apăsând-o pe punte.
Deci, în cazul în care nava trage cu o forță de 10 tone, marinarul este suficient să se aplice o forță de 15 kg pentru a opri o barcă în mișcare (cu condiția ca cablul este înfășurat de trei ori în jurul valorii de piatra). Cele 9985 kg rămase sunt stinse de forța de frecare.
Calculul de mai sus arată că la ancorare, se dezvoltă forțe de frecare destul de importante. Anterior, când danele au fost făcute din lemn, s-au încălzit, uneori chiar au început să fumeze. Într-un eseu DN Mamin-Sibiryak „Soldiers“ (a aliajului pe râul Chusovaya), spune că, pentru acest motiv, numit căpriori bolard Flint. Că în timpul ancorării pietrei nu se aprinse, au turnat apă rece.
În romanul lui Jules Verne "Matthias Sandor", puternicul Matifu a fost scos afară. El face multe fapte, printre care există unul.
Pregătirea pentru lansarea unui trabakolo - un vas mic, cu două piloni și două pânze de formă trapezoidală. Dulgheri a început să bată din sub chila navei pene care au ținut trabakolo pe traseul de evacuare. În acel moment un iaht inteligent a zburat în port. Tâmplarii și-au oprit lucrările pentru a permite iahtului să treacă fără cârlig un loc de trecere a trabakolo-ului. Dar deodată trabacolo a alunecat de-a lungul trăgaciului la apă. În mod inevitabil, a trebuit să se prăbușească în fața iahtului care plutea treptat.
„Dintr-o dată, mulțimea publicul apare un om. El apucă coarda agățat de trabakolo nas. Dar în zadar a încercat, sprijinindu-se pe picioare la sol, țineți coarda în mâinile sale. El nu a fost frică de ideea că trabakolo îl poate inspira pentru ei înșiși. Dug din apropiere arma de acostare la sol. într-o clipă, necunoscut a aruncat pe frânghie ei, care începe încet să vă relaxați și curajos, riscând pentru a obține sub ea și să fie zdrobit, cu putere il impiedica supraomenească. dureaza zece secunde.
În cele din urmă, spargerea cablului. Dar aceste zece secunde au fost suficiente. Trabakolo. Barca a trecut după pupa iahtului la o distanță de cel mult un picior.
Iahtul a fost salvat.
Și necunoscut, pe care nimeni nu ar putea ajuta - înainte de surprinzătoare a fost actul său - a fost nimeni altul decât Matifu „(J. Verne Lucrări colectate în 12 volume, care este, 12. Moscova, 1957, p 147 ..... ).
Jules Berne, aparent, nu era familiarizat cu formula lui Euler. În caz contrar, el ar înțelege că un episod cu un trabacolo nu poate depune mărturie despre puterea lui Matif. La urma urmei, dacă coarda a fost înfășurată de mai multe ori în jurul tunului de ancorare, atunci chiar și copilul putea să păstreze trabakolo-ul.
Fiecare dintre noi, cel puțin o dată pe zi, folosește formula lui Euler. Acest lucru se întâmplă când legăm cizme pe pantofi. La urma urmei, ce este un nod, nu o frânghie, înfășurat în altă parte a acelei funii? Iar puterea nodului este mai mare, cu atât mai mult coturile fac șirul în nod.
La sfârșitul lecției, câteva cuvinte despre frecare. Acesta este numele rezistenței pe care o întâmpină o roată de rulare. Fricțiunea prin rotire se datorează faptului că roata trebuie să urce tot timpul într-o crăpătură mică formată înaintea roții mobile (Figura 10). Cu cât drumul este mai greu, cu atât mai puțin rezistența la rulare. Prin urmare, sosirile cu motoare și motociclete pentru a rupe înregistrările de viteză se efectuează, de obicei, de-a lungul fundului lacurilor saline uscate, care au o suprafață foarte tare.
În curse, nu toată lumea este implicată, dar pentru a călători cu mașina, motocicleta, bicicleta este foarte mult. Cel mai bun mod de a încetini dacă există un obstacol în fața ta?
Următoarea întrebare răspunde la această întrebare (figura 11). Dacă alunecare de frână, strîngînd strâns roata (numită juz), distanța de frânare va fi mai mare decât atunci când rulare (roata frânată, dar sunt rotite), dar mai întâi rata scade mai puternic. Prin urmare, dacă există un pericol de coliziune, trebuie să frângeți întotdeauna cu un yuz. Este mai bine să se lovească la o viteză mai mică, deoarece energia de impact este proporțională cu pătratul vitezei. În toate celelalte cazuri, este necesară frânarea prin rulare: distanța de frânare va fi mai scurtă, iar anvelopele vor fi mai puțin uzate.
Trimiteți-le prietenilor: