Co to jest tarcie statyczne?
Tarcie statyczne to siła, która opiera się ruchowi dwóch obiektów względem siebie, gdy obiekty początkowo są w spoczynku. Prostym przykładem jest drewniany klocek siedzący na pochylni - należy zastosować siłę, aby klocek zjechał po pochylni. Inny termin, tarcie kinetyczne, odnosi się do siły, która przeciwstawia się obiektom, które już się poruszają. Siła tych sił może być obliczona i jest znana jako współczynnik tarcia. W rzeczywistych sytuacjach współczynnik tarcia statycznego prawie zawsze okazuje się większy niż współczynnik kinetyczny, ale w dokładnie kontrolowanych eksperymentach, w których powierzchnie obiektów zostały dokładnie oczyszczone, oba są zasadniczo takie same.
Zazwyczaj, gdy siła przyłożona do obiektu na powierzchni wzrasta, siła tarcia statycznego początkowo wzrasta, aby dopasować się do niego, tak że obiekt się nie porusza. Jednak po pewnym punkcie obiekt zacznie się poruszać, a w tym momencie siła tarcia spadnie, tak że potrzeba mniej siły do utrzymania obiektu w ruchu. Na przykład siła tarcia może być równa przyłożonej sile do 50 niutonów - siła jest mierzona w niutonach (N) - ale później może spaść do 40 N. Dlatego do uzyskania obiektu wymagana jest siła nieco ponad 50 N. w ruchu, ale potem wystarczy nieco ponad 40 N.
Obliczanie współczynnika
Współczynniki tarcia statycznego można obliczyć dla dowolnego materiału stałego lub pary materiałów. Wartość współczynnika może zatem dotyczyć drewna na drewnie, stali na stali lub stali na drewnie. Jednym ze sposobów obliczenia wartości pary materiałów jest umieszczenie bloku jednego materiału na rampie wykonanej z drugiego - dla jednego materiału blok i rampa byłyby wykonane z tej samej substancji. Nachylenie rampy jest stopniowo zwiększane, aż blok zsunie się. Kąt, pod którym to się dzieje, można następnie wykorzystać do obliczenia współczynnika tarcia statycznego.
Współczynnik stosowany we wzorach i równaniach otrzymuje symbol μ - grecka litera mu. Indeks dolny jest zwykle stosowany do rozróżnienia dwóch: μs oznacza tarcie statyczne, podczas gdy μk oznacza tarcie kinetyczne. Na przykład μs dla stali na stali wynosi 0,74, podczas gdy μk dla tego materiału wynosi 0,57. Wartości te dotyczą typowych rzeczywistych sytuacji i mogą się nieco różnić w zależności od okoliczności. Ponieważ na wartość μs mogą wpływać nieregularności powierzchni, zabrudzenia i ślady innych substancji, wartość μk jest uważana za dokładniejszą i jest zwykle podawana, gdy wymagany jest prosty współczynnik tarcia.
Czynniki wpływające na tarcie
Tarcie statyczne ma wpływ na wiele czynników, ale zwykle najważniejszy jest chropowatość powierzchni. Nawet po wygładzeniu różne materiały będą się różnić pod względem drobnych szczegółów ich powierzchni. W praktyce żadna powierzchnia nie jest całkowicie gładka, ale niektóre będą miały większe nieregularności niż inne. Różnica jest w niektórych przypadkach oczywista: na przykład arkusz jedwabiu ma bardzo gładką teksturę, która powoduje mniejsze tarcie, podczas gdy sucha asfaltowa droga jest szorstka, generując większy opór ruchu. Inne czynniki obejmują przyciąganie elektrostatyczne i rodzaje słabych wiązań chemicznych, które mogą tworzyć się między powierzchniami.
Przykłady
Wiele osób zna tarcie statyczne, ponieważ napotyka je niemal codziennie; na przykład działa, gdy ktoś przesuwa książkę po stole. Początkowo trzeba wywierać niewielką siłę, aby książka się poruszyła, ale kiedy się porusza, pojawia się tarcie kinetyczne i do jej przeniesienia potrzeba mniej wysiłku. Wymagana siła może się różnić w zależności od okoliczności. Na przykład, jeśli książka ma okładkę biblioteki i jest wilgotna, mokra książka będzie wymagała więcej siły, aby się poruszyć, podczas gdy zupełnie nowa książka w miękkiej okładce może bardzo łatwo przesuwać się po suchym drewnianym stole z polakierowaną powierzchnią.
Tabele współczynników tarcia statycznego i kinetycznego są dostępne dla wielu popularnych materiałów i ich kombinacji. Wyższa wartość wskazuje na większe tarcie, więc do wywołania ruchu należy zastosować większą siłę. Na przykład μs dla aluminium na aluminium wynosi 1,05 - 1,35, co jest bardzo wysoką wartością, podczas gdy wartość dla politetrafluoroetylenu (PTFE) na PTFE wynosi 0,04, co jest bardzo niskie i czyni go bardzo śliskim. Trudno jest wprawić zatrzymany samochód w ruch z powodu celowego tarcia między oponami a podłożem; pozwala to kierowcy na większą kontrolę i zmniejsza prawdopodobieństwo poślizgu samochodu.
Obliczanie drogi hamowania
Jednym z przykładów zastosowania tarcia statycznego jest obliczenie drogi zerwania dla samochodu przy danej prędkości i w określonych warunkach. W normalnych okolicznościach, gdy opony skręcają na drodze, stosuje się tarcie statyczne, a nie kinetyczne. Μs dla suchej opony na suchej drodze wynosi około 1,00, podczas gdy wartość dla mokrej opony na mokrej drodze wynosi tylko 0,2 - oznacza to, że droga do zerwania będzie pięciokrotnie większa w mokrych warunkach. W suchych warunkach samochód jadący z prędkością 31 mil na godzinę (50 km / h) ma drogę hamowania 33 stóp (10 metrów), podczas gdy w mokrych warunkach droga hamowania wynosiłaby 164 stóp (50 metrów). Gdy opony ślizgają się, a nie toczą, po powierzchni - jak może być w lodowatych warunkach - ważne jest tarcie kinetyczne.