Tření je síla bránící relativnímu pohybu a vzniká na rozhraní mezi tělesy, ale také uvnitř těles, jako je tomu u tekutin. Koncept koeficientu tření poprvé formuloval Leonardo da Vinci. Velikost součinitele tření je určena vlastnostmi povrchů, okolím, povrchovými vlastnostmi, přítomností maziva atd.

Zákony tření

Existuje pět zákonů tření a jsou:

• Tření pohybujícího se objektu je úměrné a kolmé k normálové síle.

• Tření, kterému objekt čelí, závisí na povaze povrchu, se kterým je v kontaktu.

• Tření je nezávislé na oblasti kontaktu, pokud existuje oblast kontaktu.

• Kinetické tření je nezávislé na rychlosti.

• Koeficient statického tření je větší než koeficient kinetického tření.

Když vidíme jakýkoli objekt, můžeme vidět hladký povrch, ale když se na stejný objekt díváme pod mikroskopem, můžeme vidět, že i hladce se objevující objekt má drsné hrany. Mikroskopem jsou vidět drobné kopečky a rýhy, které jsou známé jako nepravidelnosti povrchu. Takže, když se jeden předmět přesune přes druhý, tyto nepravidelnosti na povrchu se zapletou a způsobí tření. Čím větší drsnost, tím více nepravidelností a větší síla.

Statické tření

Existuje několik teorií o příčinách statického tření a jako většina konceptů souvisejících s třením, každá z nich se za určitých podmínek ukáže jako platná, ale za jiných okolností selže. Pro aplikace v reálném světě (zejména ty, které se týkají průmyslových strojů a pohybu). Kontrola dvou nejrozšířenějších teorií za statickým třením, které souvisí s mikroskopickou drsností povrchů.

Bez ohledu na to, jak dokonale je povrch opracován, dokončen a vyčištěn, bude mít nevyhnutelně nerovnosti – v podstatě drsnost skládající se z vrcholů a údolí, podobně jako pohoří. (Technicky jsou vrcholy asperity.) Když jsou dva povrchy v kontaktu, může se zdát, že mají velkou, dobře definovanou oblast kontaktu, ale ve skutečnosti dochází ke kontaktu pouze na určitých místech – tedy tam, kde jsou nerovnosti oba povrchy překážejí.

Součet těchto malých oblastí kontaktu mezi asperitami je označován jako skutečná nebo efektivní oblast kontaktu. Protože tyto jednotlivé oblasti kontaktu jsou velmi malé, tlak (tlak = síla ÷ plocha) mezi povrchy v těchto bodech je velmi vysoký. Tento extrémní tlak umožňuje, aby došlo k adhezi mezi povrchy prostřednictvím procesu známého jako studené svařování, ke kterému dochází na molekulární úrovni. Než se mohou povrchy vzájemně pohybovat, musí být porušeny vazby, které způsobují tuto adhezi.

Drsnost povrchů navíc znamená, že na některých místech se nerovnosti jednoho povrchu usadí do prohlubní druhého povrchu – jinými slovy, povrchy se propojí.

Tyto vzájemně propojené oblasti musí být rozbity nebo plasticky deformovány, než se mohou povrchy pohybovat. Jinými slovy, musí dojít k oděru. Takže ve většině aplikací je statické tření způsobeno jak adhezí, tak otěrem kontaktních povrchů.

Zákony statického tření

Existují dva zákony statického tření:

1. První zákon: Maximální síla statického tření není závislá na ploše kontaktu.
2. Druhý zákon: Maximální síla statického tření je srovnatelná s normálovou silou, tj. pokud se normálová síla zvětší, zvýší se také maximální vnější síla, kterou může objekt vydržet bez pohybu.

Odvození pro vzorec statického tření

Uvažujme blok hmotnosti mg ležící na vodorovné ploše, jak je znázorněno na obrázku. Když tělo tlačí na povrch, povrch se deformuje, i když se zdá být tuhý. Deformovaný povrch tlačí těleso normálovou silou R, která je kolmá k povrchu. Tomu se říká normální reakční síla. Vyrovnává to mg

R = mg

Nyní uvažujme, že na kvádr působí síla P. Je zřejmé, že tělo zůstává v klidu, protože nějaká jiná síla F vstupuje do hry v horizontálním směru a působí proti působící síle P, což má za následek nulovou čistou sílu na tělo. Tato síla F působící po povrchu tělesa v kontaktu s povrchem stolu se nazývá třecí síla.

Dokud se tedy těleso nepohybuje, F = P. To znamená, že pokud zvýšíme P, zvýší se i tření F a zůstane vždy rovné P.

Tato třecí síla, která vstupuje do hry, dokud nezačne skutečný pohyb, se nazývá statické tření.

Koeficient statického tření

Statické tření je tření, ke kterému dochází, když je předmět umístěn na povrch. A kinetické tření je způsobeno pohybem předmětu na povrchu. Tření je dobře charakterizováno koeficientem tření a je vysvětleno jako poměr mezi třecí silou a normálovou silou. To pomáhá objektu ležet na povrchu. Koeficient statického tření je skalární veličina a označuje se μ_s.

Vzorec pro koeficient statického tření je vyjádřen jako

mu_{s} = frac{F}{N}

Kde

m _s ​ = koeficient statického tření

F = statická třecí síla

N = normální síla

Kinetické tření

Kinetické tření je definováno jako síla, která působí mezi pohyblivými povrchy. Na těleso pohybující se na povrchu působí síla v opačném směru svého pohybu. Velikost síly bude záviset na koeficientu kinetického tření mezi oběma materiály.

Tření lze snadno definovat jako sílu, která zadržuje klouzající předmět. Kinetické tření je součástí všeho a narušuje pohyb dvou nebo více předmětů. Síla působí v opačném směru, než jakým chce předmět klouzat.

Pokud auto musí zastavit, zabrzdíme a to je přesně to, kde se projeví tření. Při chůzi, když se člověk chce náhle zastavit, je tření znovu děkovat. Ale když musíme zastavit uprostřed louže, věci jsou těžší, protože tření je tam menší a nemůže nám tolik pomoci.

Překonání statického tření mezi dvěma povrchy v podstatě odstraňuje jak molekulární překážky (studené svařování mezi nerovnostmi), tak do určité míry i mechanické překážky (interference mezi nerovnostmi a prohlubněmi povrchů) pohybu. Jakmile je pohyb zahájen, dochází k určitému otěru, ale na mnohem nižší úrovni než při statickém tření a relativní rychlost mezi povrchy poskytuje nedostatečný čas pro další svařování za studena (s výjimkou případu extrémně nízké rychlosti).

Vzhledem k tomu, že většina adheze a oděru je překonána, aby vyvolala pohyb, odpor vůči pohybu mezi povrchy se snižuje a povrchy se nyní pohybují pod vlivem kinetického tření, které je mnohem nižší než statické tření.

Zákony kinetického tření

Existují čtyři zákony kinetického tření:

1. První zákon: Síla kinetického tření (F_k) je přímo úměrná normální reakci (N) mezi dvěma povrchy v kontaktu. Kde, m _k ​ = konstanta zvaná koeficient kinetického tření.
2. Druhý zákon: Síla kinetického tření je nezávislá na tvaru a zdánlivé ploše povrchů, které se dotýkají.
3. Třetí zákon: Záleží na povaze a materiálu povrchu, který je v kontaktu.
4. Čtvrtý zákon: Je nezávislá na rychlosti objektu v kontaktu za předpokladu, že relativní rychlost mezi objektem a povrchem není příliš velká.

Vzorec kinetického tření

Koeficient kinetického tření se označuje řeckým písmenem mu ( m ), s dolním indexem k. Síla kinetického tření je m _k násobek normálové síly působící na těleso. Vyjadřuje se v Newtonech (N).

Rovnici kinetického tření lze zapsat jako:

Síla kinetického tření = (koeficient kinetického tření) (normální síla)

F _k = m _k h

Kde,

F _k = síla kinetického tření

m _k koeficient kinetického tření

h = normální síla (řecké písmeno eta)

Odvození pro vzorec kinetického tření

Uvažujme blok hmotnosti mg ležící na vodorovné ploše, jak je znázorněno na obrázku. Když tělo tlačí na povrch, povrch se deformuje, i když se zdá být tuhý. Deformovaný povrch tlačí těleso normálovou silou R která je kolmá k povrchu. Tomu se říká normální reakční síla. Vyrovnává to mg R = mg .

pothineni beran

Nyní to považujme za sílu P se aplikuje na blok, jak je znázorněno. Je zřejmé, že tělo zůstává v klidu kvůli nějaké jiné síle F vstupuje do hry v horizontálním směru a působí proti působící síle P výsledkem je nulová čistá síla působící na tělo. Tato síla F působící po povrchu tělesa v kontaktu s povrchem stolu se nazývá třecí síla .

Tedy dokud se tělo nehýbe F = P . To znamená, že pokud zvýšíme P, zvýší se i tření F a zůstane vždy rovné P.

Když aplikovanou sílu mírně zvýšíme nad limitní tření, začne skutečný pohyb. To neznamená, že tření zmizelo. Znamená to pouze, že síla překonala mezní tření. Tato síla tření v této fázi je známá jako kinetické tření nebo dynamické tření.

Kinetické tření nebo dynamické tření je protichůdná síla, která vstupuje do hry, když se těleso skutečně pohybuje po povrchu jiného tělesa.

Aplikace statického a kinetického tření

Aplikace statického tření

Některé skutečné příklady statického tření jsou uvedeny v následujících bodech:

• Papíry na desce stolu
• Ručník visící na stojanu
• Záložka v knize
• Auto zaparkované na kopci

Aplikace kinetického tření

Některé reálné příklady kinetického tření jsou uvedeny v bodech níže.

• Tření také hraje obrovskou roli v každodenních událostech, jako je tření dvou předmětů. Výsledný pohyb se přeměňuje na teplo, což v některých případech vede k požáru.
• Je také zodpovědný za opotřebení, a proto potřebujeme olej k mazání částí stroje, protože snižuje tření.
• Když se dva předměty o sebe třou, třecí síla se přemění na tepelnou energii, v několika případech vede ke vzniku požáru.
• Kinetické tření je zodpovědné za opotřebení součástí stroje, proto je důležité součásti stroje mazat olejem.

Rozdíl mezi statickým a kinetickým třením

Ukázkové úlohy založené na statickém a kinetickém tření

Otázka 1: Muž tlačí po podlaze velkou lepenkovou krabici o hmotnosti 75,0 kg.

Řešení:

Koeficient kinetického tření je μ_k= 0,520

Pracovník působí silou 400,0 N dopředu.

Jaká je velikost třecí síly?

Odpověď: Na rovném povrchu lze normálovou sílu předmětu zjistit podle vzorce

h = mg

Dosazením hodnoty η do rovnice F_k= m_kη, dostáváme

F_k= (0,520) (75,0 kg) (9,80 m/s²) = 382,2 N

Otázka 2: Ve výše uvedené otázce vypočítejte čistou sílu pohybující krabici?

Řešení:

Čistá síla působící na těleso je součtem všech sil působících na těleso.

V tomto případě jsou silami působícími na těleso síla vyvíjená člověkem a kinetické tření působící v opačném směru.

Pokud je dopředný pohyb považován za kladný, pak se čistá síla vypočítá takto:

F_síť= F_pracovník– F_k

Dosazením hodnot ve výše uvedené rovnici dostaneme

F_síť= 400 N – 382,2 N = 17,8 N

Otázka 3: Proč při valivém pohybu dochází ke tření?

Odpovědět:

Teoreticky má míč bodový kontakt s povrchem.

Ale ve skutečnosti se koule (a/nebo povrch) vlivem zatížení deformuje a kontaktní plocha se stává eliptickou.

Teoreticky by valivé povrchy, jaké se nacházejí u většiny rotačních a lineárních ložisek (kromě kluzných ložisek), neměly narážet na třecí síly.

Ale v reálných aplikacích způsobují tření na valivých plochách tři faktory:

1. Mikroskluz mezi povrchy (povrchy se vzájemně posouvají)

2. Neelastické vlastnosti (tj. deformace) materiálů

3. Drsnost povrchů

Otázka 4: Předmět o hmotnosti 10 kg je umístěn na hladký povrch. Statické tření mezi těmito dvěma povrchy je dáno jako 15 N. Najděte koeficient statického tření?

Řešení:

Dáno

m = 10 kg

F = 15 N

m_s= ?

Víme, že,

Normálová síla, N = mg

Takže N = 10 × 9,81 = 98,1 N

Vzorec pro koeficient statického tření je,

m_s= 15/N

java bubble sort

m_s= 15/98,1

m _s = 0,153

Otázka 5: Normálová síla a statická třecí síla předmětu je 50 N a 80 N. Najděte koeficient statického tření?

Řešení:

Dáno

N = 50 N

F = 80 N a μ_s= ?

Vzorec pro koeficient statického tření je

m_s= F/N

m_s= 80/50

m_s= 1,6

Otázka 6: Jaký je vztah mezi statickým a kinetickým třením?

Odpovědět:

Síla statického tření udržuje nehybný objekt v klidu. Jakmile je síla statického tření překonána, je síla kinetického tření tím, co zpomaluje pohybující se objekt.

Otázka 7: Lednička váží 1619 N a koeficient statického tření je 0,50. Jaká je nejmenší síla použitá k pohybu chladničky?

Řešení:

Uvedené údaje:

Hmotnost chladničky, W=1619 N

W=1619 N

Součinitel statického tření, μ_s= 0,50

Minimální síla potřebná k pohybu chladničky může být dána jako,

F = m_sV

F = 0,50 × 1619

F = 809,50 N.