Что такое статическое трение?
Статическое трение - это сила, которая сопротивляется движению двух объектов друг против друга, когда объекты изначально находятся в состоянии покоя. Простым примером является деревянный блок, сидящий на рампе - необходимо приложить усилие, чтобы блок скользил по рампе. Другой термин, кинетическое трение, относится к силе, которая противостоит объектам, которые уже движутся друг против друга. Сила этих сил может быть рассчитана и известна как коэффициент трения. В реальных ситуациях коэффициент статического трения почти всегда оказывается больше, чем в кинетических, но в тщательно контролируемых экспериментах, где поверхности объектов были тщательно очищены, оба, как правило, одинаковы.
Как правило, когда сила, приложенная к объекту на поверхности, увеличивается, сила статического трения первоначально увеличивается, чтобы соответствовать ей, так что объект не перемещается. Однако после определенного момента объект начнет двигаться, и в этот момент сила трения снизится, поэтому для поддержания движения объекта требуется меньшее усилие. Например, сила трения может соответствовать приложенной силе до 50 ньютонов - сила измеряется в ньютонах (Н) - но после этого она может упасть до 40 Н. Поэтому для получения объекта требуется сила чуть более 50 Н. движется, но после этого будет достаточно чуть более 40 Н.
Расчет коэффициента
Коэффициенты статического трения могут быть рассчитаны для любого твердого материала или пары материалов. Следовательно, значение коэффициента может применяться к дереву на дереве, стали на стали или стали на дереве. Один из способов расчета значения для пары материалов состоит в том, чтобы поместить блок одного материала на аппарель, изготовленную из другого - для одного материала блок и аппарель были бы сделаны из одного и того же вещества. Наклон на рампе постепенно увеличивается, пока блок не соскользнет вниз. Угол, под которым это происходит, можно затем использовать для расчета коэффициента статического трения.
Коэффициент, используемый в формулах и уравнениях, обозначается символом μ - греческая буква mu. Индекс обычно используется для различения двух: μ s обозначает статическое трение, а μ k означает кинетическое трение. Например, µ s для стали на стали составляет 0,74, а μ k для этого материала - 0,57. Эти значения относятся к типичным жизненным ситуациям и могут немного отличаться в зависимости от обстоятельств. Поскольку на значение µ s могут влиять неровности поверхности, грязь и следы других веществ, значение µ k считается более точным и обычно определяется, когда требуется простой коэффициент трения.
Факторы, влияющие на трение
Ряд факторов способствуют статическому трению, но обычно наиболее важным является шероховатость поверхностей. Даже при разглаживании различные материалы будут отличаться в плане мелких деталей их поверхностей. С практической точки зрения, ни одна поверхность не является полностью гладкой, но некоторые будут иметь большие неровности, чем другие. В некоторых случаях разница очевидна: например, шелковый лист имеет очень гладкую текстуру, которая создает меньшее трение, в то время как сухая асфальтовая дорога грубая, создавая большее сопротивление движению. Другие факторы включают электростатическое притяжение и типы слабых химических связей, которые могут образовываться между поверхностями.
Примеры
Многие люди знакомы со статическим трением, поскольку сталкиваются с ним почти ежедневно; например, это на работе, когда кто-то скользит книгой по столу. Вначале необходимо приложить небольшое усилие, чтобы заставить книгу двигаться, но как только она движется, в игру вступает кинетическое трение, и для ее перемещения потребуется меньше усилий. Величина требуемой силы может варьироваться в зависимости от обстоятельств. Например, если на книге есть обложка для библиотеки, и она стала влажной, мокрой книге потребуется больше усилий для перемещения, в то время как новая книга в мягкой обложке может очень легко скользить по сухому деревянному столу с лакированной поверхностью.
Таблицы коэффициентов статического и кинетического трения доступны для многих распространенных материалов и их комбинаций. Более высокое значение указывает на большее трение, поэтому необходимо приложить больше усилий, чтобы вызвать движение. Например, мкс для алюминия на алюминии составляет 1,05-1,35, что очень высоко, в то время как значение для политетрафторэтилена (ПТФЭ) на ПТФЭ составляет 0,04, что крайне мало и делает его очень скользким. Трудно толкнуть остановленный автомобиль в движение из-за преднамеренного трения между шинами и землей; это дает водителю больше контроля и снижает вероятность заноса автомобиля.
Расчет тормозного пути
Одним из примеров применения статического трения является вычисление разрывного расстояния для автомобиля на заданной скорости и в конкретных условиях. В обычных условиях, когда шины поворачиваются на дороге, применяется статическое, а не кинетическое трение. Μs для сухой шины на сухой дороге составляет около 1,00, тогда как значение для мокрой шины на мокрой дороге составляет всего 0,2 - это означает, что разрывное расстояние будет в пять раз больше во влажных условиях. В сухих условиях автомобиль, движущийся со скоростью 31 миль в час (50 км / ч), имеет тормозной путь 33 фута (10 метров), в то время как в сырых условиях тормозной путь составляет 164 фута (50 метров). Когда шины скользят, а не катятся по поверхности, как это может быть в ледяных условиях, важно кинетическое трение.