แรงเสียดทานเป็นปริมาณทางกายภาพที่ป้องกันการเคลื่อนไหวของร่างกาย ตามกฎแล้วเกิดขึ้นเมื่อร่างกายเคลื่อนที่ในของแข็งของเหลวและก๊าซ แรงเสียดทานประเภทต่างๆ มีบทบาทสำคัญในชีวิตมนุษย์ เนื่องจากป้องกันไม่ให้ร่างกายมีความเร็วเพิ่มขึ้นมากเกินไป
การจำแนกแรงเสียดทาน
ในกรณีทั่วไป แรงเสียดทานทุกประเภทมีสามประเภท: แรงเสียดทานของการเลื่อน การกลิ้ง และส่วนที่เหลือ อันแรกเป็นแบบคงที่ อีกสองอันเป็นแบบไดนามิก การเสียดสีเมื่ออยู่นิ่งจะป้องกันไม่ให้ร่างกายเริ่มเคลื่อนไหว ในทางกลับกัน เมื่อเลื่อนจะเกิดการเสียดสีเมื่อร่างกายเสียดสีกับพื้นผิวของอีกร่างหนึ่งระหว่างการเคลื่อนไหว แรงเสียดทานจากการกลิ้งเกิดขึ้นเมื่อวัตถุทรงกลมเคลื่อนที่ ลองมาดูตัวอย่างกัน ตัวอย่างที่โดดเด่นของประเภท (แรงเสียดทานการหมุน) คือการเคลื่อนที่ของล้อรถบนพื้นยางมะตอย
ธรรมชาติของแรงเสียดทานคือความไม่สมบูรณ์ของกล้องจุลทรรศน์ระหว่างพื้นผิวที่ถูของวัตถุทั้งสอง ด้วยเหตุนี้ แรงที่กระทำต่อวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่หรือเริ่มเคลื่อนที่ประกอบด้วยผลรวมของแรงของปฏิกิริยาปกติของตัวรองรับ N ซึ่งตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุสัมผัสและของแรงเสียดทาน F. หลังถูกชี้นำขนานกับ พื้นผิวสัมผัสและอยู่ตรงข้ามกับการเคลื่อนไหวของร่างกาย
แรงเสียดทานระหว่างของแข็งสองก้อน
เมื่อพิจารณาปัญหาของแรงเสียดทานประเภทต่างๆ สังเกตรูปแบบต่อไปนี้สำหรับวัตถุแข็งสองตัว:
- แรงเสียดทานพุ่งตรงขนานกับพื้นผิวรองรับ
- สัมประสิทธิ์ความเสียดทานขึ้นอยู่กับลักษณะของพื้นผิวสัมผัสและสภาพของพื้นผิว
- แรงเสียดทานสูงสุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงตั้งฉากหรือปฏิกิริยารองรับที่กระทำระหว่างพื้นผิวสัมผัส
- สำหรับวัตถุเดียวกัน แรงเสียดทานจะมากกว่าก่อนที่ร่างกายจะเริ่มเคลื่อนไหว และจะลดลงเมื่อร่างกายเริ่มเคลื่อนไหว
- สัมประสิทธิ์ความเสียดทานไม่ได้ขึ้นอยู่กับพื้นที่สัมผัส และในทางปฏิบัติไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วในการเลื่อน
กฎหมาย
โดยสรุปเนื้อหาทดลองเกี่ยวกับกฎการเคลื่อนที่ เราได้กำหนดกฎพื้นฐานเกี่ยวกับแรงเสียดทานดังต่อไปนี้:
- การต้านทานการเลื่อนระหว่างวัตถุทั้งสองนั้นเป็นสัดส่วนกับแรงตั้งฉากที่กระทำระหว่างวัตถุทั้งสอง
- การต้านทานการเคลื่อนไหวระหว่างวัตถุถูไม่ขึ้นกับพื้นที่สัมผัสระหว่างกัน
เพื่อสาธิตกฎข้อที่สอง เราสามารถยกตัวอย่างต่อไปนี้: หากคุณนำบล็อกและเคลื่อนย้ายโดยเลื่อนบนพื้นผิว แสดงว่าเป็นแรงที่จำเป็นสำหรับการเคลื่อนไหวดังกล่าวจะเหมือนเดิมเมื่อบล็อกอยู่บนพื้นผิวที่มีด้านยาว และเมื่ออยู่ตรงส่วนปลาย
กฎหมายเกี่ยวกับแรงเสียดทานประเภทต่างๆ ทางฟิสิกส์ถูกค้นพบเมื่อปลายศตวรรษที่ 15 โดย Leonard da Vinci จากนั้นพวกเขาก็ถูกลืมไปเป็นเวลานานและในปี 1699 พวกเขาถูกค้นพบโดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส Amonton ตั้งแต่นั้นมา กฎแห่งแรงเสียดทานก็มีชื่อของเขา
เหตุใดแรงเสียดทานจึงมากกว่าการเลื่อนเมื่อหยุดนิ่ง
เมื่อพิจารณาแรงเสียดทานหลายประเภท (พักและเลื่อน) ควรสังเกตว่าแรงเสียดทานสถิตจะน้อยกว่าหรือเท่ากับผลคูณของค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิตและแรงปฏิกิริยาของตัวรองรับเสมอ ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานถูกกำหนดโดยการทดลองสำหรับวัสดุถูเหล่านี้และป้อนในตารางที่เหมาะสม
แรงไดนามิกคำนวณในลักษณะเดียวกับแรงสถิต ในกรณีนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีจะใช้สำหรับการเลื่อนโดยเฉพาะ ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานมักจะเขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก Μ (mu) ดังนั้น สูตรทั่วไปสำหรับแรงเสียดทานทั้งสองคือ: Ftr=ΜN โดยที่ N คือแรงปฏิกิริยาสนับสนุน
ลักษณะของความแตกต่างระหว่างแรงเสียดทานประเภทนี้ไม่ได้ถูกกำหนดไว้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าแรงเสียดทานสถิตนั้นมากกว่าแรงเลื่อน เนื่องจากเมื่อวัตถุหยุดนิ่งโดยสัมพันธ์กันเป็นระยะเวลาหนึ่ง พันธะไอออนิกหรือไมโครฟิวชั่นของจุดแต่ละจุดของพื้นผิวสามารถก่อตัวขึ้นระหว่างพื้นผิวของพวกมันได้ ปัจจัยเหล่านี้ทำให้ค่าคงที่เพิ่มขึ้นอินดิเคเตอร์
ตัวอย่างแรงเสียดทานหลายประเภทและลักษณะที่ปรากฏคือลูกสูบในกระบอกสูบของเครื่องยนต์รถยนต์ซึ่ง "บัดกรี" ไปที่กระบอกสูบหากเครื่องยนต์ไม่ทำงานเป็นเวลานาน
ตัวเลื่อนแนวนอน
ลองหาสมการการเคลื่อนที่สำหรับร่างกายที่ภายใต้การกระทำของแรงภายนอก Fin เริ่มเคลื่อนไปตามพื้นผิวโดยการเลื่อน ในกรณีนี้ แรงต่อไปนี้จะกระทำต่อร่างกาย:
- Fv – แรงภายนอก;
- Ftr – แรงเสียดทานที่อยู่ตรงข้ามกับทิศทางของแรง Fv;
- N คือแรงปฏิกิริยาของตัวรองรับซึ่งมีค่าเท่ากับน้ำหนักตัว P สัมบูรณ์และพุ่งไปที่พื้นผิวนั่นคือทำมุมฉากกับมัน
โดยคำนึงถึงทิศทางของกองกำลังทั้งหมด เราเขียนกฎข้อที่สองของนิวตันสำหรับกรณีการเคลื่อนที่นี้: Fv - Ftr=ma โดยที่ m - มวลกาย a - ความเร่งของการเคลื่อนไหว เมื่อรู้ว่า Ftr=ΜN, N=P=mg โดยที่ g คือความเร่งของการตกอย่างอิสระ เราจะได้ Fv – Μม.ก.=ม.ก. เมื่อแสดงความเร่งที่ตัวเลื่อนเคลื่อนที่ เราจะได้ a=F ใน / m – Μg.
เคลื่อนไหวร่างกายแข็งเกร็งในของเหลว
เมื่อพิจารณาว่าแรงเสียดทานประเภทใดมีอยู่ เราควรกล่าวถึงปรากฏการณ์ที่สำคัญในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งเป็นคำอธิบายว่าวัตถุแข็งเคลื่อนที่ในของเหลวอย่างไร ในกรณีนี้ เรากำลังพูดถึงแรงเสียดทานตามหลักอากาศพลศาสตร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็วของร่างกายในของเหลว การเคลื่อนไหวมีสองประเภท:
- เมื่อไรร่างกายที่แข็งกระด้างเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำคนหนึ่งพูดถึงการเคลื่อนไหวแบบราบเรียบ แรงเสียดทานในการเคลื่อนที่แบบราบเป็นสัดส่วนกับความเร็ว ตัวอย่างคือกฎของสโตกส์สำหรับวัตถุทรงกลม
- เมื่อการเคลื่อนไหวของร่างกายในของเหลวเกิดขึ้นที่ความเร็วสูงกว่าค่าเกณฑ์ที่กำหนด จากนั้นกระแสน้ำวนจากการไหลของของเหลวจะเริ่มปรากฏขึ้นทั่วร่างกาย กระแสน้ำวนเหล่านี้สร้างแรงเพิ่มเติมที่ขัดขวางการเคลื่อนไหว ด้วยเหตุนี้ แรงเสียดทานจึงแปรผันตามกำลังสองของความเร็ว
ธรรมชาติของแรงเสียดทานกลิ้ง
เมื่อพูดถึงประเภทของแรงเสียดทาน เป็นเรื่องปกติที่จะเรียกแรงเสียดทานแบบกลิ้งเป็นประเภทที่สาม มันปรากฏตัวขึ้นเมื่อร่างกายกลิ้งไปบนพื้นผิวใด ๆ และความผิดปกติของร่างกายนี้และพื้นผิวนั้นเกิดขึ้นเอง กล่าวคือ ในกรณีของร่างกายและพื้นผิวที่ไม่สามารถเปลี่ยนรูปได้โดยสิ้นเชิง ไม่มีประโยชน์ที่จะพูดถึงแรงเสียดทานจากการกลิ้ง มาดูกันดีกว่า
แนวคิดของค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีกลิ้งคล้ายกับการเลื่อน เนื่องจากไม่มีการลื่นไถลระหว่างพื้นผิวของร่างกายในระหว่างการกลิ้ง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการหมุนจึงน้อยกว่าการเลื่อนมาก
ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อสัมประสิทธิ์คือฮิสเทรีซิสของพลังงานกลสำหรับประเภทของแรงเสียดทานจากการกลิ้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ล้อจะเสียรูปอย่างยืดหยุ่นระหว่างการเคลื่อนไหว ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำ รวมทั้งน้ำหนักบรรทุก วัฏจักรการบิดเบี้ยวซ้ำๆ ของการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นนำไปสู่การถ่ายเทพลังงานกลบางส่วนไปเป็นพลังงานความร้อน นอกจากนี้ เนื่องจากความเสียหาย หน้าสัมผัสของล้อและพื้นผิวมีพื้นที่สัมผัสที่แน่นอนอยู่แล้ว
สูตรแรงเสียดทานของการหมุน
ถ้าเราใช้นิพจน์สำหรับโมเมนต์ของแรงที่หมุนวงล้อ เราก็จะได้แรงเสียดทานที่หมุนเป็น Ftr.k.=Μ k N / R ที่นี่ N คือปฏิกิริยาของแนวรับ R คือรัศมีของวงล้อ Μк – สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานกลิ้ง ดังนั้นแรงเสียดทานจากการกลิ้งจึงแปรผกผันกับรัศมี ซึ่งอธิบายข้อดีของล้อขนาดใหญ่กับล้อขนาดเล็ก
สัดส่วนผกผันของแรงนี้ต่อรัศมีของล้อแสดงให้เห็นว่าในกรณีของล้อสองล้อที่มีรัศมีต่างกันซึ่งมีมวลเท่ากันและทำจากวัสดุเดียวกัน ล้อที่มีรัศมีใหญ่กว่าจะง่ายกว่า ขยับตัว
อัตราการหมุน
ตามสูตรของแรงเสียดทานประเภทนี้ เราได้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจากการกลิ้ง Μk มีมิติของความยาว ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับลักษณะของวัตถุที่สัมผัส ค่าที่กำหนดโดยอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์การเสียดสีต่อรัศมีเรียกว่าสัมประสิทธิ์การกลิ้ง นั่นคือ Ck=Μk / R คือปริมาณที่ไม่มีมิติ
สัมประสิทธิ์การกลิ้ง Ck นั้นน้อยกว่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีการเลื่อนอย่างมีนัยสำคัญ Μtr ดังนั้นเมื่อตอบคำถามว่าแรงเสียดทานประเภทใดมีขนาดเล็กที่สุด เราสามารถเรียกแรงเสียดทานจากการกลิ้งได้อย่างปลอดภัย ด้วยเหตุนี้ การประดิษฐ์วงล้อจึงถือเป็นก้าวสำคัญในความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมนุษยชาติ
อัตราส่วนการหมุนเป็นแบบเฉพาะระบบและขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้:
- ความแข็งของล้อและพื้นผิว (ยิ่งการเสียรูปของตัวถังที่เกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนไหวน้อย ค่าสัมประสิทธิ์การหมุนก็จะยิ่งต่ำลง);
- รัศมีวงล้อ;
- น้ำหนักที่กระทำกับล้อ;
- พื้นที่ผิวสัมผัสและรูปร่าง
- ความหนืดในบริเวณสัมผัสระหว่างล้อกับพื้นผิว
- อุณหภูมิร่างกาย