FRIKSJON: TYPER, KOEFFISIENT, BEREGNING, ØVELSER - FYSISK - 2026

Den friksjon yter motstand mot bevegelse av en overflate som er i kontakt med hverandre. Det er et overflatefenomen som oppstår mellom faste, flytende og gassformige materialer. Motstandskraften som er tangentiell for to overflater i kontakt, som motsetter retningen for den relative forskyvningen mellom nevnte overflater, kalles også friksjonskraften eller friksjonskraften F _r .

For å fortrenge et solid legeme på en overflate, må det utøves en ytre kraft som kan overvinne friksjonen. Når kroppen beveger seg, virker friksjonskraften på kroppen, senker den og kan til og med stoppe den.

Friksjon

Friksjonskraften kan representeres grafisk ved hjelp av kraftdiagrammet til et legeme i kontakt med en overflate. I dette diagrammet trekkes friksjonskraften F _r mot komponenten av kraften som påføres kroppen, tangentiell til overflaten.

Kontaktflaten utøver en reaksjonskraft på kroppen som kalles normalkraften N. I noen tilfeller skyldes normalkraften bare vekten P av kroppen som hviler på overflaten, og i andre tilfeller skyldes den andre påførte krefter enn tyngdekraften.

Friksjon oppstår fordi det er mikroskopiske ujevnheter mellom overflatene i kontakt. Når du prøver å bevege den ene overflaten over den andre, oppstår friksjon mellom ujevnheter som forhindrer fri bevegelse ved grensesnittet. På sin side oppstår energitap i form av varme som ikke brukes til å bevege kroppen.

Typer friksjon

Det er to hovedtyper av friksjon: Coulomb-friksjon eller tørr friksjon, og fluidfriksjon.

-Coulomb-friksjon

Coulomb-friksjon motsetter seg alltid bevegelsen til legemer og er delt inn i to typer friksjon: statisk friksjon og kinetisk (eller dynamisk) friksjon.

Ved statisk friksjon er det ingen bevegelse av kroppen på overflaten. Den påførte kraften er veldig lav og ikke nok til å overvinne friksjonskraften. Friksjon har en maksimalverdi som er proporsjonal med normalkraften og kalles den statiske friksjonskraften F _re .

Kraften til statisk friksjon er definert som den maksimale kraften som motstår begynnelsen av kroppens bevegelse. Når den påførte kraften overstiger den statiske friksjonskraften, forblir den på sin maksimale verdi.

Kinetisk friksjon virker når kroppen allerede er i bevegelse. Kraften som kreves for å holde kroppen i bevegelse med friksjon kalles den kinetiske friksjonskraften F _rc .

Den kinetiske friksjonskraften er mindre enn eller lik den statiske friksjonskraften, fordi når kroppen begynner å bevege seg, er det lettere å fortsette å bevege seg enn å prøve å gjøre det mens han er i ro.

Coulomb's Law of Friction

1. Friksjonskraften er direkte proporsjonal med kraften som er normal til kontaktflaten. Proportionalitetskonstanten er friksjonskoeffisienten μ som finnes mellom overflatene i kontakt.
2. Friksjonskraften er uavhengig av størrelsen på det tilsynelatende kontaktområdet mellom overflatene.
3. Den kinetiske friksjonskraften er uavhengig av glidningshastigheten til kroppen.

-Fluid friksjon

Friksjon oppstår også når legemer beveger seg i kontakt med flytende eller gassformige materialer. Denne typen friksjon kalles fluidfriksjon og er definert som motstanden mot bevegelse av legemer i kontakt med en væske.

Fluidfriksjon refererer også til en væskes motstand mot å strømme i kontakt med fluidlag av det samme eller et annet materiale, og er avhengig av fluidets hastighet og viskositet. Viskositet er målet for motstand mot bevegelse av en væske.

-Stokes friksjon

Stokes friksjon er en type fluidfriksjon der sfæriske partikler nedsenket i en viskøs væske, i laminær strøm, opplever en friksjonskraft som bremser bevegelsen deres på grunn av svingninger i fluidets molekyler.

Stokes friksjon

Strømningen er laminær når de viskøse kreftene, som motsetter seg fluidets bevegelse, er større enn treghetskreftene og væsken beveger seg med tilstrekkelig liten hastighet og i en rettlinjet bane.

Friksjonskoeffisienter

I følge Coulombs første friksjonslov oppnås friksjonskoeffisienten μ fra forholdet mellom friksjonskraften og kraften som er normal til kontaktflaten.

Koeffisienten μ er en dimensjonsløs mengde, da det er et forhold mellom to krefter, som avhenger av arten og behandlingen av materialene i kontakt. Generelt er verdien av friksjonskoeffisienten mellom 0 og 1.

Statisk friksjonskoeffisient

Statisk friksjonskoeffisient er proporsjonalitetskonstanten som eksisterer mellom kraften som forhindrer bevegelse av et legeme i hviletilstand på en kontaktflate og kraften normal til overflaten.

Kinetisk friksjonskoeffisient

Kinetisk friksjonskoeffisient er proporsjonalitetskonstanten som eksisterer mellom kraften som begrenser bevegelsen til et legeme som beveger seg på en overflate og kraften normal til overflaten.

Statisk friksjonskoeffisient er større enn kinetisk friksjonskoeffisient.

Elastisk friksjonskoeffisient

Den elastiske friksjonskoeffisienten er avledet fra friksjonen mellom kontaktflater av elastiske, myke eller grove materialer som er deformert av påførte krefter. Friksjon er imot den relative bevegelsen mellom to elastiske flater, og forskyvningen ledsages av en elastisk deformasjon av overflatelagene på materialet.

Friksjonskoeffisienten oppnådd under disse forholdene avhenger av graden av overflateuhet, de fysiske egenskapene til materialene i kontakt og størrelsen på tangentiell komponent av skjærkraften ved grensesnittet til materialene.

Molekylær friksjonskoeffisient

Den molekylære friksjonskoeffisient oppnås fra kraften som begrenser bevegelsen til en partikkel som glir på en glatt overflate eller gjennom en væske.

Hvordan beregnes friksjon?

Friksjonskraften på faste grensesnitt beregnes ved å bruke ligningen F _r = μN

Å erstatte vektligningen i friksjonskraftligningen gir:

Kjennetegn på det normale

Når en gjenstand er i ro på en flat overflate, er normalkraften den som utøves av overflaten på kroppen, og den motarbeider kraften på grunn av tyngdekraften, i henhold til Newtons lov om handling og reaksjon.

Normalkraften virker alltid vinkelrett på overflaten. På en skrå overflate avtar normalen når mager vinkel øker og peker i vinkelrett retning bort fra overflaten, mens vekten peker loddrett nedover. Ligningen av normalkraften på en skrå overflate er:

θ = helningsvinkelen til kontaktflaten.

Skrå planfriksjon

Komponenten i kraften som virker på kroppen for å skyve den er:

Når den påførte kraften øker, nærmer den seg maksimalverdien for friksjonskraften, denne verdien er den som tilsvarer den statiske friksjonskraften. Når F = F _re , er den statiske friksjonskraften:

Og statisk friksjonskoeffisient oppnås ved tangenten til hellingsvinkelen θ.

Løste øvelser

-Friksjonskraft for en gjenstand som hviler på en horisontal overflate

En 15 kg boks plassert på en horisontal overflate skyves av en person som påfører en kraft på 50 Newton langs en overflate for å få den til å bevege seg og deretter påfører en kraft på 25 N for å holde kassen i bevegelse med konstant hastighet. Bestem koeffisientene for statisk og kinetisk friksjon.

Boks som beveger seg på horisontal overflate

Løsning: Med verdien av kraften som brukes for å flytte boksen, _oppnås statisk friksjonskoeffisient μ _e .

Normalkraften N til overflaten er lik vekten på boksen, så N = mg

I dette tilfellet, μ _e = 50Nytt / 147Nytt

Kraften som brukes for å holde hastigheten på boksen konstant er den kinetiske friksjonskraften som er lik 25Nytt.

Kinetisk friksjonskoeffisient oppnås med ligningen μ _c = F _rc / N

-Friksjonskraft for et objekt under virkningen av en kraft med skråningsvinkel

En mann utøver en kraft på en 20 kg boks, med en påføringsvinkel på 30 ° i forhold til overflaten der den hviler. Hva er størrelsen på kraften som brukes for å flytte boksen hvis friksjonskoeffisienten mellom boksen og overflaten er 0,5?

Løsning: Frikroppsdiagrammet representerer den påførte kraften og dens vertikale og horisontale komponenter.

Free-Body diagram

Den påførte kraften lager en vinkel på 30 ° med den horisontale overflaten. Den vertikale komponenten av kraften tilfører normal kraft som påvirker kraften i statisk friksjon. Boksen beveger seg når den horisontale komponenten av den påførte kraften overskrider den maksimale verdien av friksjonskraften F _re . Å sammenligne den horisontale komponenten av kraften med den av statisk friksjon gir:

normal styrke

Normalkraften er ikke lenger kroppens vekt på grunn av den vertikale komponenten i kraften.

I henhold til Newtons andre lov er summen av kreftene som virker på boksen på den vertikale aksen null, derfor er den vertikale komponenten av akselerasjon en _y = 0. Normalkraften oppnås fra summen

Ved å erstatte ligningen i ligningen oppnås følgende:

-Fiksjon i et kjøretøy i bevegelse

Et 1,5 tonns kjøretøy kjører på en rett og horisontal vei i en hastighet på 70 km / t. Sjåføren ser hindringer på veien i en viss avstand som tvinger ham til å bremse kraftig. Etter bremsing glir kjøretøyet i kort tid til det stopper. Hvis friksjonskoeffisienten mellom dekkene og veien er 0,7; bestem følgende:

1. Hva er verdien av friksjon mens kjøretøyet skrenser?
2. Kjøretøyets retardasjon
3. Avstanden kjørt av kjøretøyet fra når den bremser til når den stopper.

Friksjonskraften til kjøretøyet når det skrenser er:

= 10290 Ny

Avsnitt b

Friksjonskraften påvirker nedgangen på kjøretøyet når det skrenser.

Ved å anvende Newtons andre lov oppnås verdien av retardasjonen ved å løse for ligningen F = ma

Avsnitt c

Den første hastigheten på kjøretøyet er v ₀ = 70 km / t = 19,44 m / s

Når kjøretøyet stopper, er den endelige hastigheten v _f = 0 og retardasjonen er a = - 6,86m / s ²

Avstanden kjørt av kjøretøyet, fra når den bremser til når den stopper, oppnås ved å løse for d fra følgende ligning:

Kjøretøyet kjører 27.54m avstand før det stopper.

1. Beregninger av friksjonskoeffisienten under elastiske kontaktforhold. Mikhin, N M. 2, 1968, Soviet Materials Science, bind 4, pp. 149-152.
2. Blau, P J. Friction Science and Technology. Florida, USA: CRC Press, 2009.
3. Forholdet mellom heft og friksjonskrefter. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung og Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, pp. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force and Motion. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Prinsipper og anvendelser av tribologi. New York: John Wiley og Sons, 1999.
6. Sharma, CS og Purohit, K. Teori om mekanismer og maskiner. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.