Fizika trenja. Trenje
Sila trenja u zemaljskim uvjetima prati svako kretanje tijela. Nastaje kada dva tijela dođu u dodir, ako se ta tijela pomiču jedno u odnosu na drugo. Sila trenja je uvijek usmjerena duž dodirne površine, za razliku od sile elastičnosti koja je usmjerena okomito (sl. 1, sl. 2).
Riža. 1. Razlika između smjerova sile trenja i elastične sile
Riža. 2. Površina djeluje na šipku, a šipka djeluje na plohu
Postoje suhe i nesuhe vrste trenja. Suhi tip trenja nastaje kada krute tvari dođu u dodir.
Zamislite šipku koja leži na vodoravnoj površini (slika 3). Na njega utječu sila gravitacije i sila reakcije oslonca. Djelujmo na šipku malom silom , usmjerena duž površine. Ako se šipka ne pomiče, tada je primijenjena sila uravnotežena drugom silom, koja se naziva statička sila trenja.
Riža. 3. Sila statičkog trenja
Statička sila trenja () suprotnog smjera i jednake po veličini sili koja teži pomicanju tijela paralelno s površinom njegova dodira s drugim tijelom.
S povećanjem sile "smicanja", šipka ostaje u mirovanju, stoga se povećava i statička sila trenja. S nekom, dovoljno velikom, silom, šipka će se početi pomicati. To znači da se statička sila trenja ne može povećati do beskonačnosti - postoji gornja granica, više od koje ne može biti. Vrijednost ove granice je najveća statička sila trenja.
Djelujmo na šipku dinamometrom.
Riža. 4. Mjerenje sile trenja dinamometrom
Ako dinamometar na njega djeluje silom, onda se vidi da najveća statička sila trenja postaje veća s povećanjem mase šipke, odnosno s povećanjem sile gravitacije i sile reakcije šipke. podrška. Ako trošite točna mjerenja, tada će pokazati da je najveća statička sila trenja izravno proporcionalna sili reakcije oslonca:
gdje je modul maksimalne statičke sile trenja; N– sila reakcije potpore (normalan tlak); - koeficijent statičkog trenja (proporcionalnost). Stoga je najveća statička sila trenja izravno proporcionalna sili normalnog tlaka.
Ako provedete pokus s dinamometrom i šipkom konstantna masa, dok se šipka okreće na različite strane (mijenjajući područje kontakta sa stolom), može se vidjeti da se maksimalna statička sila trenja ne mijenja (slika 5). Stoga najveća statička sila trenja ne ovisi o kontaktnoj površini.
Riža. 5. Maksimalna vrijednost statičke sile trenja ne ovisi o kontaktnoj površini
Točnije studije pokazuju da je statičko trenje u potpunosti određeno silom koja se primjenjuje na tijelo i formulu.
Statička sila trenja ne sprječava uvijek kretanje tijela. Na primjer, statička sila trenja djeluje na potplat cipele, istovremeno daje ubrzanje i omogućuje vam da hodate po tlu bez klizanja (slika 6).
Riža. 6. Sila statičkog trenja koja djeluje na potplat cipele
Drugi primjer: statička sila trenja koja djeluje na kotač automobila omogućuje vam da se krenete bez klizanja (slika 7).
Riža. 7. Statička sila trenja koja djeluje na kotač automobila
U remenskim pogonima djeluje i statička sila trenja (slika 8).
Riža. 8. Sila statičkog trenja u remenskim pogonima
Ako se tijelo kreće, tada sila trenja koja djeluje na njega sa strane površine ne nestaje, ova vrsta trenja se naziva trenje klizanja. Mjerenja pokazuju da je sila trenja klizanja po veličini gotovo jednaka maksimalna snaga statičko trenje (slika 9).
Riža. 9. Sila trenja klizanja
Sila trenja klizanja uvijek je usmjerena protiv brzine tijela, odnosno sprječava kretanje. Posljedično, kada se tijelo giba samo pod djelovanjem sile trenja, ono mu daje negativnu akceleraciju, odnosno brzina tijela se stalno smanjuje.
Veličina sile trenja klizanja također je proporcionalna sili normalnog tlaka.
gdje je modul sile trenja klizanja; N– sila reakcije potpore (normalan tlak); – koeficijent trenja klizanja (proporcionalnost).
Na slici 10. prikazan je graf ovisnosti sile trenja o primijenjenoj sili. Prikazuje dva razna radnja. Prvi dio, u kojem sila trenja raste s povećanjem primijenjene sile, odgovara statičkom trenju. Drugi dio, gdje sila trenja ne ovisi o vanjskoj sili, odgovara trenju klizanja.
Riža. 10. Grafikon ovisnosti sile trenja o primijenjenoj sili
Koeficijent trenja klizanja približno je jednak koeficijentu statičkog trenja. Obično je koeficijent trenja klizanja manji od jedinice. To znači da je sila trenja klizanja manja od normalne sile pritiska.
Koeficijent trenja klizanja je karakteristika trljanja dvaju tijela jedno o drugo, ovisi o tome od kojih su materijala tijela izrađena i koliko su dobro obrađene površine (glatke ili hrapave).
Podrijetlo statičkih i kliznih sila trenja je zbog činjenice da bilo koja površina na mikroskopskoj razini nije ravna, uvijek postoje mikroskopske nehomogenosti na bilo kojoj površini (slika 11).
Riža. 11. Površine tijela na mikroskopskoj razini
Kada se dva tijela u dodiru pokušavaju kretati jedno u odnosu na drugo, te se nehomogenosti hvataju i sprječavaju to kretanje. Uz malu količinu primijenjene sile, taj je zahvat dovoljan da spriječi pomicanje tijela, pa nastaje statičko trenje. Kada vanjska sila prijeđe maksimalno statičko trenje, tada zahvat hrapavosti nije dovoljan da zadrži tijela, te se ona počinju pomicati jedno u odnosu na drugo, dok sila trenja klizanja djeluje između tijela.
Ova vrsta trenja nastaje kada se tijela kotrljaju jedno preko drugog ili kada se jedno tijelo kotrlja po površini drugog. Trenje kotrljanja, poput trenja klizanja, daje negativno ubrzanje tijelu.
Pojava sile trenja kotrljanja posljedica je deformacije tijela kotrljanja i potporne površine. Dakle, kotač koji se nalazi na vodoravnoj površini deformira potonje. Kada se kotač pomiče, deformacije se nemaju vremena oporaviti, pa se kotač mora takoreći cijelo vrijeme penjati. malo brdo, zbog čega se pojavljuje moment sila, koji usporava kotrljanje.
Riža. 12. Pojava sile trenja kotrljanja
Veličina sile trenja kotrljanja u pravilu je višestruko manja od sile trenja klizanja, pri svim ostalim jednakim uvjetima. Zbog toga je kotrljanje uobičajena vrsta kretanja u strojarstvu.
Kada se čvrsto tijelo giba u tekućini ili plinu, na njega djeluje sila otpora sa strane medija. Ta je sila usmjerena protiv brzine tijela i usporava kretanje (slika 13).
Glavna značajka sile otpora je da se javlja samo u prisutnosti relativnog gibanja tijela i njegove okoline. To jest, statička sila trenja u tekućinama i plinovima ne postoji. To dovodi do činjenice da osoba može premjestiti čak i tešku teglenicu koja je na vodi.
Riža. 13. Sila otpora koja djeluje na tijelo pri kretanju u tekućini ili plinu
Modul sile otpora ovisi o:
Od veličine tijela i geometrijski oblik(slika 14);
Uvjeti površine tijela (slika 15);
Svojstva tekućine ili plina (slika 16);
Relativna brzina tijela i njegove okoline (slika 17).
Riža. 14. Ovisnosti modula sile otpora o geometrijskom obliku
Riža. 15. Ovisnosti modula sile otpora o stanju površine tijela
Riža. 16. Ovisnosti modula sile otpora o svojstvima tekućine ili plina
Riža. 17. Ovisnosti modula sile otpora o relativnoj brzini tijela i njegove okoline
Na slici 18 prikazan je graf ovisnosti sile otpora o brzini tijela. Pri relativnoj brzini, nula, sila otpora ne djeluje na tijelo. S povećanjem relativne brzine, sila otpora najprije polako raste, a zatim raste brzina rasta.
Riža. 18. Grafikon ovisnosti sile otpora o brzini tijela
Pri niskim vrijednostima relativne brzine, sila otpora je izravno proporcionalna vrijednosti ove brzine:
gdje je vrijednost relativne brzine; - koeficijent otpora, koji ovisi o vrsti viskoznog medija, obliku i veličini tijela.
Ako relativna brzina ima dovoljno veliku važnost, tada sila otpora postaje proporcionalna kvadratu ove brzine.
gdje je vrijednost relativne brzine; je koeficijent otpora.
Izbor formule za svaki konkretan slučaj utvrđuje se empirijski.
Tijelo mase 600 g giba se jednoliko po vodoravnoj površini (slika 19). U tom slučaju na njega se primjenjuje sila čija je vrijednost 1,2 N. Odredite vrijednost koeficijenta trenja između tijela i površine.
Dio mehanike u kojem se proučava kretanje bez razmatranja uzroka koji uzrokuju jedan ili drugi karakter kretanja naziva se kinematika.Mehaničko kretanje naziva se promjena položaja tijela u odnosu na druga tijela
Referentni sustav nazovite referentno tijelo, koordinatni sustav koji je s njim povezan i sat.
Referentno tijelo naziva tijelo, u odnosu na koje se razmatra položaj drugih tijela.
materijalna točka naziva se tijelo čije se dimenzije u ovom problemu mogu zanemariti.
putanja nazivaju mentalnom linijom, koja tijekom svog kretanja opisuje materijalna točka.
Prema obliku putanje, kretanje se dijeli na:
ali) pravolinijski- putanja je pravocrtni odsječak;
b) krivolinijski- putanja je segment krivulje.
Put- ovo je duljina putanje koju materijalna točka opisuje za određeno vremensko razdoblje. Ovo je skalarna vrijednost.
krećući se je vektor koji povezuje početni položaj materijalne točke s njezinim konačnim položajem (vidi sliku).
Vrlo je važno razumjeti kako se put razlikuje od kretanja. Najvažnija razlika je u tome što je kretanje vektor s početkom u točki polaska i sa završetkom na odredištu (uopće nije važno kojom je rutom krenulo ovo kretanje). A put je, naprotiv, skalarna vrijednost koja odražava duljinu prijeđene putanje.
Ravnomjerno pravolinijsko kretanje naziva se kretanje u kojem materijalna točka čini iste kretnje za bilo koje jednake vremenske intervale
Brzina jednolikog pravolinijskog gibanja naziva se omjerom kretanja i vremena za koje se to kretanje dogodilo:
Za neravnomjerno kretanje koristiti pojam Prosječna brzina.Često se ubrizgava Prosječna brzina kako skalarnu vrijednost. Ovo je brzina takvog jednolikog gibanja, pri kojem tijelo putuje istim putem u isto vrijeme kao i kod neravnomjernog gibanja:
trenutnu brzinu naziva se brzina tijela u određenoj točki putanje ili u ovaj trenutak vrijeme.
Ravnomjerno ubrzano pravolinijsko gibanje- ovo je pravocrtno kretanje u kojem se trenutna brzina za bilo koje jednake vremenske intervale mijenja za isti iznos
Ovisnost koordinata tijela o vremenu u ravnomjernom pravocrtnom kretanju ima oblik: x = x 0 + V x t, gdje je x 0 početna koordinata tijela, V x je brzina kretanja.
slobodan pad pozvao jednoliko ubrzano kretanje uz konstantno ubrzanje g \u003d 9,8 m / s 2 neovisno o masi tijela koje pada. Javlja se samo pod utjecajem gravitacije.
Brzina slobodnog pada izračunava se po formuli:
Vertikalni pomak se izračunava po formuli:
Jedna od vrsta kretanja materijalne točke je kretanje po kružnici. Kod takvog kretanja brzina tijela je usmjerena duž tangente povučene na kružnicu u točki gdje se tijelo nalazi (linearna brzina). Položaj tijela na kružnici može se opisati pomoću polumjera povučenog od središta kružnice do tijela. Gibanje tijela pri kretanju po kružnici opisuje se okretanjem polumjera kružnice koja povezuje središte kružnice s tijelom. Omjer kuta rotacije polumjera i vremenskog intervala tijekom kojeg je došlo do ove rotacije karakterizira brzinu kretanja tijela po kružnici i naziva se kutna brzina ω:
Kutna brzina povezana je s linearnom brzinom relacijom
gdje je r polumjer kružnice.
Vrijeme koje je potrebno tijelu da izvrši jedan okret se naziva razdoblje cirkulacije. Recipročna vrijednost razdoblja - učestalost cirkulacije - ν
Kako se kod jednolikog gibanja po kružnici ne mijenja modul brzine, već se mijenja smjer brzine, kod takvog gibanja dolazi do ubrzanja. On je pozvan centripetalno ubrzanje
, usmjeren je po polumjeru do središta kružnice:
Osnovni pojmovi i zakoni dinamike
Dio mehanike koji proučava uzroke koji su uzrokovali ubrzanje tijela naziva se dinamika
Prvi Newtonov zakon:
Postoje takvi referentni okviri u odnosu na koje tijelo održava svoju brzinu konstantnom ili miruje ako na njega ne djeluju druga tijela ili se djelovanje drugih tijela kompenzira.
Svojstvo tijela da održava stanje mirovanja ili jednoliko pravocrtno gibanje s uravnoteženim vanjskim silama koje na njega djeluju naziva se inercija. Fenomen održavanja brzine tijela uravnoteženim vanjskim silama naziva se inercija. inercijski referentni sustavi nazivaju sustavi u kojima je zadovoljen prvi Newtonov zakon.
Galileovo načelo relativnosti:
u svemu inercijski sustavi reference pod istim početnim uvjetima, sve mehaničke pojave se odvijaju na isti način, t.j. poštivati iste zakone
Težina je mjera inercije tijela
Snaga je kvantitativna mjera međudjelovanja tijela.
Newtonov drugi zakon:
Sila koja djeluje na tijelo jednaka je umnošku mase tijela i akceleracije koju daje ta sila:
$F↖(→) = m⋅a↖(→)$
Zbrajanje sila je pronalaženje rezultante nekoliko sila, što proizvodi isti učinak kao nekoliko sila koje istovremeno djeluju.
treći Newtonov zakon:
Sile kojima dva tijela djeluju jedno na drugo nalaze se na istoj pravoj liniji, jednake su po veličini i suprotne po smjeru:
$F_1↖(→) = -F_2↖(→) $
Newtonov III zakon naglašava da djelovanje tijela jedno na drugo ima karakter interakcije. Ako tijelo A djeluje na tijelo B, onda tijelo B također djeluje na tijelo A (vidi sliku).
Ili ukratko, sila djelovanja jednaka je sili reakcije. Često se postavlja pitanje: zašto konj vuče sanjke ako ta tijela djeluju jednakim silama? To je moguće samo kroz interakciju s trećim tijelom - Zemljom. Sila kojom se kopita naslanjaju na tlo mora biti veća od sile trenja saonica o tlo. Inače će kopita skliznuti i konj se neće pomaknuti.
Ako je tijelo podvrgnuto deformaciji, tada nastaju sile koje sprječavaju tu deformaciju. Takve sile se nazivaju elastične sile.
Hookeov zakon napisano u obliku
gdje je k krutost opruge, x je deformacija tijela. Znak "−" označava da su sila i deformacija usmjerene u različitim smjerovima.
Kada se tijela pomiču jedno u odnosu na drugo, nastaju sile koje ometaju kretanje. Te se sile nazivaju sile trenja. Razlikovati statično trenje i trenje klizanja. sila trenja klizanja izračunato prema formuli
gdje je N sila reakcije nosača, µ je koeficijent trenja.
Ova sila ne ovisi o površini tijela koja trljaju. Koeficijent trenja ovisi o materijalu od kojeg su tijela izrađena i kvaliteti njihove površinske obrade.
Trenje mirovanja nastaje kada se tijela ne pomiču jedno u odnosu na drugo. Statička sila trenja može varirati od nule do neke maksimalne vrijednosti
Gravitacijske sile nazivaju se sile kojima se bilo koja dva tijela međusobno privlače.
Zakon gravitacija:bilo koja dva tijela privlače se jedno drugom silom koja je izravno proporcionalna umnošku njihovih masa i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.
Ovdje je R udaljenost između tijela. Zakon univerzalne gravitacije u ovom obliku vrijedi ili za materijalne točke ili za sferna tijela.
tjelesna težina naziva se sila kojom tijelo pritišće vodoravni oslonac ili rasteže ovjes.
Sila gravitacije je sila kojom se sva tijela privlače prema Zemlji:
Uz fiksni oslonac, težina tijela je po apsolutnoj vrijednosti jednaka sili gravitacije:
Ako se tijelo giba okomito s ubrzanjem, tada će se njegova težina promijeniti.
Kada se tijelo kreće uzlaznim ubrzanjem, njegova težina
Vidi se da je težina tijela veća od težine tijela u mirovanju.
Kada se tijelo kreće ubrzanjem prema dolje, njegova težina
U ovom slučaju, tjelesna težina manje težine tijelo u mirovanju.
bestežinsko stanje je gibanje tijela kod kojeg je njegova akceleracija jednaka akceleraciji slobodan pad, tj. a = g. To je moguće ako na tijelo djeluje samo jedna sila – sila teže.
umjetni zemaljski satelit je tijelo s brzinom V1 dovoljnom da se kreće u krug oko Zemlje
Na Zemljin satelit djeluje samo jedna sila – gravitacija, usmjerena prema središtu Zemlje
prva kozmička brzina- to je brzina koja se mora dojaviti tijelu kako bi se ono vrtjelo oko planeta u kružnoj orbiti.
gdje je R udaljenost od središta planeta do satelita.
Za Zemlju, blizu njezine površine, prva izlazna brzina je
1.3. Osnovni pojmovi i zakoni statike i hidrostatike
Tijelo (materijalna točka) je u stanju ravnoteže ako je vektorski zbroj sila koje djeluju na njega jednak nuli. Postoje 3 vrste ravnoteže: stabilan, nestabilan i ravnodušan. Ako se, kada se tijelo izvuče iz ravnoteže, pojave sile koje teže vratiti ovo tijelo, stabilna ravnoteža. Ako se pojave sile koje teže odvesti tijelo još više od ravnotežnog položaja, ovo nesiguran položaj; ako se ne pojave sile - ravnodušan(Vidi sliku 3).
Kada ne govorimo o materijalnoj točki, već o tijelu koje može imati os rotacije, tada je za postizanje ravnotežnog položaja, osim jednakosti nuli zbroja sila koje djeluju na tijelo, potrebno da algebarski zbroj momenata svih sila koje djeluju na tijelo bude jednak nuli.
Ovdje je d krak sile. Rame snage d je udaljenost od osi rotacije do linije djelovanja sile.
Uvjet ravnoteže poluge:
algebarski zbroj momenata svih sila koje rotiraju tijelo jednak je nuli.
Pritiskom nazivaju fizikalnu veličinu jednaku omjeru sile koja djeluje na mjesto okomito na tu silu i površine mjesta:
Za tekućine i plinove vrijedi Pascalov zakon:
pritisak se raspoređuje u svim smjerovima bez promjene.
Ako je tekućina ili plin u polju gravitacije, tada svaki viši sloj pritišće niže, a kako se tekućina ili plin urone u njih, tlak raste. Za tekućine
gdje je ρ gustoća tekućine, h dubina prodiranja u tekućinu.
Homogena tekućina u komunikacijskim posudama postavljena je na istoj razini. Ako se tekućina različite gustoće ulije u koljena komunikacijskih posuda, tada se tekućina veće gustoće ugrađuje na nižu visinu. U ovom slučaju
Visine stupova tekućine obrnuto su proporcionalne gustoćama:
Hidraulična preša je posuda napunjena uljem ili drugom tekućinom, u kojoj su izrezane dvije rupe zatvorene klipovima. Klipovi imaju različito područje. Ako se na jedan klip primijeni određena sila, tada se ispostavlja da je sila primijenjena na drugi klip drugačija.
Na ovaj način, Hidraulična preša služi za pretvaranje veličine sile. Budući da pritisak ispod klipova mora biti isti, onda 
Zatim A1 = A2.
Tijelo uronjeno u tekućinu ili plin podliježe uzlaznoj sili prema gore sa strane te tekućine ili plina, što se naziva moć Arhimeda
Postavlja se vrijednost sile uzgona Arhimedov zakon: na tijelo uronjeno u tekućinu ili plin djeluje sila uzgona, usmjerena okomito prema gore i jednaka težini tekućine ili plina koji je istisnuo tijelo:
gdje je ρ tekućina gustoća tekućine u koju je tijelo uronjeno; V potopljeni - volumen potopljenog dijela tijela.
Stanje plutajućeg tijela- tijelo pliva u tekućini ili plinu kada je sila uzgona koja djeluje na tijelo jednaka sili gravitacije koja djeluje na tijelo.
1.4. Zakoni o očuvanju
zamah tijela naziva se fizikalna veličina jednaka umnošku mase tijela i njegove brzine:Moment je vektorska veličina. [p] = kg m/s. Uz zamah tijela, često koriste impuls sile. To je umnožak sile pomnožen njenog trajanja.
Promjena količine gibanja tijela jednaka je impulsu sile koja djeluje na to tijelo. Za izolirani sustav tijela (sustav čija tijela međusobno djeluju samo jedno na drugo), zakon održanja količine gibanja: zbroj impulsa tijela izoliranog sustava prije interakcije jednak je zbroju impulsa istih tijela nakon međudjelovanja.
mehanički rad nazivaju fizikalnu veličinu koja je jednaka umnošku sile koja djeluje na tijelo, pomaka tijela i kosinusa kuta između smjera sile i pomaka:
Vlast je rad obavljen u jedinici vremena.
Sposobnost tijela da obavlja rad karakterizira veličina tzv energije. Mehanička energija se dijeli na kinetički i potencijalni. Ako tijelo može obavljati rad zbog svog gibanja, kaže se da ima kinetička energija. Kinetička energija translacijskog gibanja materijalne točke izračunava se po formuli
Ako tijelo može izvršiti rad mijenjajući svoj položaj u odnosu na druga tijela ili mijenjajući položaj dijelova tijela, ono ima potencijalna energija. Primjer potencijalne energije: tijelo podignuto iznad tla, njegova energija se izračunava po formuli
gdje je h visina dizanja
Energija komprimirane opruge:
gdje je k konstanta opruge, x je apsolutna deformacija opruge.
Zbroj potencijalne i kinetičke energije je mehanička energija. Za izolirani sustav tijela u mehanici, zakon održanja mehaničke energije: ako sile trenja (ili druge sile koje dovode do rasipanja energije) ne djeluju između tijela izoliranog sustava, tada se zbroj mehaničkih energija tijela ovog sustava ne mijenja (zakon održanja energije u mehanici) . Ako između tijela izoliranog sustava postoje sile trenja, tada se tijekom interakcije dio mehaničke energije tijela prenosi u unutarnju energiju.
1.5. Mehaničke vibracije i valovi
fluktuacije nazivaju se pokreti koji imaju jedan ili drugi stupanj ponavljanja u vremenu. Oscilacije se nazivaju periodičnim ako se vrijednosti fizičkih veličina koje se mijenjaju u procesu titranja ponavljaju u pravilnim intervalima.Harmonične vibracije nazivaju se takve oscilacije u kojima se osciliraju fizička veličina x varira prema sinusnom ili kosinusnom zakonu, tj.
Vrijednost A, jednaka najvećoj apsolutnoj vrijednosti oscilirajuće fizičke veličine x, naziva se amplituda oscilacije. Izraz α = ωt + ϕ određuje vrijednost x u danom trenutku i naziva se faza osciliranja. Razdoblje T Vrijeme koje je potrebno tijelu koje oscilira da napravi jednu potpunu oscilaciju naziva se. Učestalost periodičnih oscilacija zove se broj potpunih oscilacija u jedinici vremena:
Frekvencija se mjeri u s -1. Ova jedinica se zove herc (Hz).
Matematičko njihalo je materijalna točka mase m obješena na bestežinsku nerastegljivu nit i koja oscilira u okomitoj ravnini.
Ako je jedan kraj opruge nepomičan, a neko tijelo mase m pričvršćeno na njegov drugi kraj, onda kada se tijelo izvuče iz ravnoteže, opruga će se rastegnuti i tijelo će oscilirati na oprugi u vodoravnom ili okomitom smjeru. avion. Takvo njihalo naziva se opružno njihalo.
Period titranja matematičkog njihala određuje se formulom 
gdje je l duljina njihala.
Period osciliranja opterećenja na oprugu određuje se formulom 
gdje je k krutost opruge, m masa tereta.
Širenje oscilacija u elastičnim medijima.
Medij se naziva elastičnim ako između njegovih čestica postoje sile interakcije. Valovi su procesi širenja oscilacija u elastičnim medijima.
Val se zove poprečno, ako čestice medija osciliraju u smjerovima okomitim na smjer širenja vala. Val se zove uzdužni, ako se oscilacije čestica medija javljaju u smjeru širenja vala.
Valna duljina udaljenost između dvije najbliže točke koje osciliraju u istoj fazi naziva se:
gdje je v brzina širenja vala.
zvučni valovi zvani valovi, oscilacije u kojima se javljaju s frekvencijama od 20 do 20 000 Hz.
Brzina zvuka je različita u različitim okruženjima. Brzina zvuka u zraku je 340 m/s.
ultrazvučni valovi naziva valovima čija frekvencija titranja prelazi 20 000 Hz. Ljudsko uho ne percipira ultrazvučne valove.
Sila trenja (Ftr.) je sila koja nastaje kada površine dvaju tijela dođu u dodir i onemogućuje njihovo relativno kretanje. Pojavljuje se zbog elektromagnetskih sila koje proizlaze iz atoma i molekula na mjestu dodira ova dva objekta.
Da bi zaustavila pokretni predmet, sila mora djelovati u suprotnom smjeru u odnosu na smjer gibanja. Na primjer, ako gurnete knjigu preko stola, ona će se početi kretati. Sila kojom ste djelovali na knjigu pomaknut će je. Knjiga klizi, a zatim usporava i zaustavlja se zbog utjecaja sile trenja.
Značajke sila trenja
Trenje, koje je gore spomenuto, koje se očituje kada se predmeti kreću, naziva se vanjskim ili suhim. Ali može postojati i između dijelova ili slojeva jednog objekta (tekućeg ili plinovitog), ovaj se tip naziva unutarnjim.
Glavna značajka je ovisnost trenja o brzini relativnog gibanja tijela.
Postoje i druge karakteristične značajke:
- pojava pri dodiru dvaju tijela koja se kreću površinama;
- njegovo djelovanje je paralelno s područjem kontakta;
- usmjerena suprotno vektoru brzine tijela;
- ovisi o kvaliteti površina (glatkih ili hrapavih), međudjelujućih objekata;
- oblik ili veličina predmeta koji se kreće u plinu ili tekućini utječe na veličinu sile trenja.
Vrste trenja
Postoji nekoliko vrsta. Pogledajmo njihove razlike. Knjiga koja klizi po stolu je pod utjecajem trenje klizanja.
sila trenja klizanja
Gdje je N sila reakcije oslonca.
Obratite pažnju na neke situacije:
Ako osoba vozi bicikl, tada je trenje koje nastaje tijekom kontakta kotača s cestom trenje kotrljanja. Ova vrsta sile je mnogo manja od sile trenja klizanja.
Sila trenja kotrljanja
Znatno manje vrijednosti ove vrste sile koriste ljudi koji koriste kotače, valjke i kuglične ležajeve u raznim pokretnim dijelovima uređaja.
Charles Augustin Coulomb, u svom radu o teoriji trenja, predložio je izračunavanje sile trenja kotrljanja na sljedeći način:
gdje je λ koeficijent trenja kotrljanja, R je polumjer valjka ili kotača, P je težina tijela.
Zamislite situaciju u kojoj osoba pokušava premjestiti sofu s mjesta na mjesto. Osoba djeluje na sofu s određenom silom, ali je ne može pomaknuti. To je zato što se kauč ne ubrzava. To jest, rezultat djelovanja vanjskih sila na sofu je nula. Stoga se sila osobe kompenzira silom jednakom po veličini, ali usmjerenom u suprotnom smjeru. Ovo je statička sila trenja.
F tr. n. djeluje kao odgovor na sile koje nastoje uzrokovati pomicanje nepokretnog objekta. Ako nema vanjskog utjecaja na stacionarni objekt, tada je veličina ove sile nula. Ako se pojavi vanjski utjecaj (F), tada se statička sila trenja povećava do maksimuma i tada se tijelo počinje kretati. Veličina sile trenja klizanja praktički se podudara s maksimalnom statičkom silom trenja.
,
μ je koeficijent trenja.
Podmazivanje, najčešće u obliku tankog sloja tekućine, smanjuje trenje.
Tekućine ili plinovi su posebni mediji u kojima se očituje i ova vrsta sile. U tim medijima trenje se pojavljuje samo tijekom kretanja predmeta. Nemoguće je govoriti o sili statičnog trenja u tim medijima.
Sila trenja u tekućinama i plinovima
Ova vrsta sile naziva se sila otpora medija. Usporava kretanje objekta. Aerodinamičniji oblik objekta utječe na veličinu sile otpora - značajno se smanjuje. Stoga se u brodogradnji koriste aerodinamični trupovi brodova ili podmornica.
Sila otpora medija ovisi o:
- geometrijske dimenzije i oblik predmeta;
- viskoznost tekućeg ili plinovitog medija;
- stanje površine predmeta;
- brzina objekta u odnosu na okolinu u kojoj se nalazi.
U zemaljskim uvjetima trenje uvijek prati svako kretanje tijela. Kod svih vrsta mehaničkog gibanja neka tijela dolaze u dodir ili s drugim tijelima ili s kontinuiranim tekućim ili plinovitim medijem koji ih okružuje. Takav kontakt uvijek ima veliki utjecaj na kretanje. Postoji sila trenja usmjerena suprotno od gibanja.
Postoji nekoliko vrsta trenja:
Suho trenje nastaje kada se čvrsta tijela koja dodiruju pomiču jedno u odnosu na drugo.
Viskozno (inače tekuće) trenje nastaje kada se čvrsta tijela kreću u tekućem ili plinovitom mediju, ili kada tekućina ili plin teče pored nepokretnih čvrstih tijela.
Trenje nastaje kada se na tijelo primjenjuje sila koja pokušava pomaknuti tijelo.
Uzroci sile trenja su: hrapavost dodirnih površina i međusobno privlačenje molekula dodirujućih tijela.
Ali što se događa ako uzmete dvije savršeno čiste površine?
Zavežite konac na dršku staklenog pehara i stavite ga na stol prekriven staklom. Ako povučete uzicu, staklo će lako kliziti preko stakla. Sada navlažite čašu vodom. Premještanje stakla će postati mnogo teže. Ako pažljivo pogledate staklo, možete primijetiti čak i ogrebotine. Poanta je da je voda uklonila masnoću i druge tvari koje su onečišćavale površine za trljanje. Nastao je kontakt između dvije savršeno čiste površine, te se pokazalo da je lakše napraviti ogrebotine (tj. iščupati komadiće stakla) nego otkinuti (pomaknuti) staklo.
Načini smanjenja sile trenja:
Brušenje trljajućih površina, nanošenje maziva i zamjena trenja klizanja trenjem kotrljanja.
Sile trenja su elektromagnetske prirode.
O čemu ovisi sila trenja?
Od vrste dodirnih površina i od veličine opterećenja.
Svojedobno je veliki talijanski umjetnik i znanstvenik Leonardo da Vinci, iznenađujući ljude oko sebe, provodio čudne eksperimente: vukao je uže po podu, bilo u punoj dužini, ili ga skupljao u prstenove. Proučavao je: ovisi li sila trenja klizanja o površini tijela u dodiru?
Kao rezultat toga, Leonardo je došao do zaključka da sila trenja klizanja ne ovisi o površini tijela u kontaktu, što potvrđuju i moderni znanstvenici.
Kako objasniti pojavu trenja?
Kontaktne površine tijela nikada nisu savršeno ravne i imaju nepravilnosti.
Štoviše, mjesta izbočina na jednoj površini ne podudaraju se s mjestima izbočina na drugoj. Ali pod kompresijom, šiljasti vrhovi se deformiraju i kontaktna površina se povećava proporcionalno primijenjenom opterećenju. Upravo je otpor na smicanje na mjestima neravnina uzrok trenja.
Osim toga, ne smijemo zaboraviti da će u slučaju idealno glatkih površina nastati otpor kretanju zbog sila privlačenja između molekula.To objašnjava učinak na silu trenja tereta - silu pritiska i svojstva materijala.
Kako izmjeriti silu trenja?
To se može učiniti dinamometrom.
Uz ravnomjerno kretanje tijela, dinamometar pokazuje vučnu silu, jednaka snazi trenje. Radi praktičnosti mjerenja, ponekad, umjesto da povučete knjigu na stol, možete početi pomicati sam stol, a knjigu držati na mjestu tako što ćete je vezati za oprugu. Sila trenja se neće promijeniti.
Mjerna jedinica sile trenja u SI (kao i svaka druga sila) je 1 Newton.
Što je isplativije: kotrljanje ili klizanje?
Što je bolje, klizno ili kotrljajuće? Naravno, valjanje je isplativije od klizanja. Mnogo je manja sila potrebna za nastavak kotrljanja nego za nastavak klizanja istom brzinom. Stoga je jasno da se ljeti voze u kolima, a ne u saonicama.
Ali zašto kotači zimi ustupe mjesto proklizavanju? Stvar je u tome da su kotači isplativiji od klizača samo kada se kotrljaju. A da bi se kotači kotrljali, ispod njih mora biti čvrsta, glatka cesta, a i neklizajuća.
ISKUSTVO. Usporedba sile trenja klizanja i sile trenja kotrljanja.
Stavite okruglu (ne fasetiranu) čašu na stol i gurnite je tako da svojim dnom klizi po stolu. Krećući se, staklo će se zaustaviti.
Sada stavite isto staklo na bok i gurnite ga istom silom. Staklo će se, kotrljajući se, dalje kretati. Što je bilo?
Težina čaše se nije promijenila, stjenke i dno su od istog stakla, stol je isti.
Stvar je u tome što se staklo sada kotrlja, a ne klizi, a njegovo kretanje usporava sila trenja kotrljanja, koja je višestruko manja od sile trenja klizanja. U mnogim slučajevima ispada 50 puta više od trenja kotrljanja!
Trenje uvijek usporava kretanje; za prevladavanje trenja svih vrsta troši se ogromna količina vrijednog goriva.
Trenje uzrokuje trošenje na trljajućim površinama.
POVIJEST PROUČAVANJA TRENJA
Prva studija zakona trenja pripada poznatom talijanskom znanstveniku i umjetniku Leonardu da Vinciju (15. stoljeće):
Sila trenja koja proizlazi iz kontakta tijela s površinom drugog tijela proporcionalna je sili pritiska, usmjerena protiv smjera kretanja i ne ovisi o dodirnoj površini dodirnih površina.
Izmjerio je silu trenja koja djeluje na drveni blokovi, klizeći po dasci i, postavljajući šipke na različite strane, odredili ovisnost sile trenja o površini oslonca. Ali, nažalost, djela Leonarda da Vincija nisu objavljena.
Međutim, tek krajem 18. stoljeća znanstvenici G. Amonton i Sh.O. Coulomb je uveo novu fizikalnu konstantu – koeficijent trenja (k).
Nakon toga je izvedena formula za silu trenja:
Ftr = kN
Gdje je N reakcijska sila potpore, koja odgovara sili pritiska koju tijelo proizvodi na površini.
Ako je tijelo na vodoravnoj površini, onda N = Fstrand
Vrijednosti koeficijenta trenja za razni materijali mogu se naći u priručniku.
Odavno je poznato da površine podmazane mašću ili čak jednostavno navlažene vodom mnogo lakše klize. 1886. O. Reynolds je stvorio prvu teoriju podmazivanja.
A početkom 20. stoljeća pojavila se tribologija - znanost koja proučava trenje.
Ponekad je trenje “šteta”!
Trenje usporava kretanje; za prevladavanje trenja svih vrsta troši se ogromna količina vrijednog goriva.
Trenje uzrokuje trošenje trljajućih površina: potplati, automobilske gume, dijelovi strojeva se brišu. Nastoje smanjiti štetno trenje.
Ali ponekad je trenje dobro!
Zatim ga pokušavaju povećati, na primjer, kada hodaju po ledu.
Što ako nije bilo trenja?
Laureat Nobelova nagrada, švicarski fizičar Charles Guillaume rekao je: „Zamislite da se trenje može potpuno eliminirati, tada nijedno tijelo, bilo da je veličine kamenog bloka ili malo, poput zrna pijeska, nikada neće počivati jedno na drugom, sve će kliziti i valjati dok ne bude na jednoj razini. Da nema trenja, Zemlja bi bila bez neravnina, poput tekućine.”
PROČITAJTE SVE O TRENJE
O trenju za znatiželjnike.........
ZANIMLJIV
Povećanje sile otpora kretanju s povećanjem brzine dovodi do stabilnog stanja jednoliko kretanje tijelo prilikom pada sa velika nadmorska visina u tekućini ili plinu (na primjer, u atmosferi). Dakle, padobranac prije otvaranja padobrana može postići brzinu od samo 50 m/s, a kapi kiše, ovisno o svojoj veličini, postižu brzinu od 2 do 7 m/s.
Najniži koeficijent trenja za čvrsto tijelo(0,02) vam je poznat teflon. Svatko ga ima modernog čovjeka u kuhinji se nalaze lonci i tave s neljepljivim teflonskim premazom.
Ako se istovremeno otvore svi prozori vlaka koji se kreće, tada će se strujanje zraka oko njega toliko pogoršati da će se otpor kretanju povećati za oko četvrtinu.
Odijela posebno dizajnirana za podvodni ribolov i ronjenje na dah imaju ultra glatku završnu obradu s vani kako bi se smanjili gubici trenja prilikom klizanja u vodi.
PITANJE ZA SVE!
Konj vuče kola. Gdje je sila trenja korisna, a gdje štetna?
Ah, hajde!
Uputa
Primjer zadatka 3: blok mase 1 kg skliznuo je s vrha nagnute ravnine za 5 sekundi, put je 10 metara. Odredite silu trenja ako je kut nagiba ravnine 45o. Razmotrimo i slučaj kada je šipka bila podvrgnuta dodatnoj sili od 2 N primijenjenoj duž kuta nagiba u smjeru gibanja.
Nađite akceleraciju tijela na isti način kao u primjerima 1 i 2: a = 2*10/5^2 = 0,8 m/s2. Izračunajte silu trenja u prvom slučaju: Ftr \u003d 1 * 9,8 * sin (45o) -1 * 0,8 \u003d 7,53 N. Odredite silu trenja u drugom slučaju: Ftr \u003d 1 * 9,8 * sin (45o) + 2-1*0,8= 9,53 N.
Slučaj 6. Tijelo se giba jednoliko duž nagnute površine. Dakle, prema drugom Newtonovom zakonu, sustav je u ravnoteži. Ako je klizanje spontano, gibanje tijela podliježe jednadžbi: mg*sinα = Ftr.
Ako se na tijelo primijeni dodatna sila (F) koja sprječava jednoliko ubrzano kretanje, izraz za gibanje ima oblik: mg*sinα–Ftr-F = 0. Odavde pronađite silu trenja: Ftr = mg*sinα -F.
Izvori:
- slip formula
Kada su dva tijela u relativnom kretanju, između njih dolazi do trenja. Može se pojaviti i pri kretanju u plinovitom ili tekućem mediju. Trenje može ometati i pridonijeti normalnom kretanju. Kao rezultat ove pojave, sila djeluje na tijela koja djeluju.
Uputa
Razmatra se najopćenitiji slučaj snagu kada je jedno tijelo fiksirano i miruje, a drugo klizi po njegovoj površini. Sa strane tijela po kojoj klizi tijelo koje se kreće, na njega djeluje sila reakcije oslonca, usmjerena okomito na ravninu klizanja. Ovu silu predstavlja slovo N. Tijelo također može mirovati u odnosu na nepokretno tijelo. Zatim snaga trenje djelujući na njemu Ftrtrenje. Ovisi o materijalima površina za trljanje, stupnju njihova brušenja i nizu drugih čimbenika.
U slučaju gibanja tijela u odnosu na površinu nepokretnog tijela, sila trenje klizanje postaje jednako umnošku koeficijenta trenje na snagu reakcije potpore: Ftr = ?N.
Neka sada na tijelo djeluje stalna sila F>Ftr = ?N, paralelna s površinom dodirujućih tijela. Kada tijelo klizi, rezultirajuća komponenta sile u horizontalnom smjeru bit će jednaka F-Ftr. Tada će, prema drugom Newtonovom zakonu, akceleracija tijela biti povezana s rezultirajućom silom prema formuli: a = (F-Ftr)/m. Dakle, Ftr = F-ma. Ubrzanje tijela može se naći iz kinematičkih razmatranja.
Često se smatra posebnim slučajem sile trenje kada tijelo sklizne s fiksne ravnine. Neka bude? - kut nagiba ravnine i neka tijelo ravnomjerno klizi, odnosno bez . Tada će jednadžbe gibanja tijela izgledati ovako: N = mg*cos?, mg*sin? = Ftr = ?N. Zatim iz prve jednadžbe gibanja snagu trenje može se izraziti kao Ftr = ?mg*cos?. Ako se tijelo kreće duž nagnute ravnine s a, tada će druga jednadžba izgledati ovako: mg*sin?-Ftr = ma. Tada je Ftr = mg*sin?-ma.
Videi sa sličnim sadržajem
Ako sila usmjerena paralelno s površinom na kojoj tijelo stoji premašuje statičku silu trenja, tada će početi gibanje. Nastavit će se sve dok pogonska sila ne prijeđe silu trenja klizanja, koja ovisi o koeficijentu trenja. Ovaj koeficijent možete izračunati sami.
Trebat će vam
- Dinamometar, vaga, kutomjer ili goniometar
Uputa
Pronađite težinu tijela u kilogramima i stavite ga na ravnu površinu. Na njega pričvrstite dinamometar i počnite pomicati tijelo. Učinite to na način da se očitanja dinamometra stabiliziraju uz održavanje konstantne brzine. U tom će slučaju vučna sila mjerena dinamometrom biti jednaka, s jedne strane, vučnoj sili koju pokazuje dinamometar, as druge strane sili pomnoženoj s klizanjem.
Izvršena mjerenja će vam omogućiti da pronađete ovaj koeficijent iz jednadžbe. Da biste to učinili, podijelite vučnu silu s masom tijela i brojem 9,81 (gravitacijsko ubrzanje) μ=F/(m g). Dobiveni koeficijent bit će isti za sve površine iste vrste kao i one na kojima je mjereno. Na primjer, ako se tijelo iz pomiče duž drvene ploče, tada će ovaj rezultat vrijediti za sva drvena tijela koja klize duž stabla, uzimajući u obzir kvalitetu njegove obrade (ako su površine hrapave, vrijednost koeficijenta trenja klizanja će promijeniti).
Koeficijent trenja klizanja možete izmjeriti i na drugi način. Da biste to učinili, postavite tijelo na ravninu koja može promijeniti svoj kut u odnosu na horizont. Može biti obična ploča. Zatim lagano počnite s jednog kraja. U trenutku kada se tijelo počne kretati, kotrljajući se u ravnini poput saonica s brda, pronađite kut njegovog nagiba u odnosu na horizont. Važno je da se tijelo ne giba ubrzano. U tom slučaju, izmjereni kut bit će iznimno mali, pod kojim će se tijelo početi kretati ispod . Koeficijent trenja klizanja bit će jednak tangenti ovog kuta μ=tg(α).
Videi sa sličnim sadržajem
Snaga reakcije podupire odnosi se na elastične sile, i uvijek je usmjeren okomito na površinu. Suprotstavlja se svakoj sili koja uzrokuje pomicanje tijela okomito na oslonac. Da biste ga izračunali, trebate identificirati i saznati brojčanu vrijednost svih sila koje djeluju na tijelo koje stoji na osloncu.
Trebat će vam
- - vaga;
- - brzinomjer ili radar;
- - goniometar.
Uputa
Odredite tjelesnu težinu pomoću vage ili na bilo koji drugi način. Ako je tijelo na vodoravnoj površini (i nije važno da li se kreće ili miruje), tada je sila potpore jednaka sili gravitacije na tijelo. Da biste ga izračunali, pomnožite masu tijela s ubrzanjem gravitacije, što je jednako 9,81 m / s² N = m g.
Kada se tijelo kreće duž nagnute ravnine usmjerene pod kutom prema horizontu, sila reakcije oslonca je pod kutom gravitacije. Istodobno, kompenzira samo komponentu gravitacije koja djeluje okomito na nagnutu ravninu. Da biste izračunali reakcijsku silu oslonca, pomoću goniometra izmjerite kut pod kojim se ravnina nalazi prema horizontu. Izračunati snagu podržavaju reakcije množenjem tjelesne mase s akceleracijom slobodnog pada i kosinusom kuta pod kojim se ravnina nalazi prema horizontu N=m g Cos(α).
U slučaju da se tijelo kreće duž površine, koja je dio kružnice polumjera R, na primjer, mosta, tada sila reakcije oslonca uzima u obzir silu, u smjeru od središta kružnice, s akceleracija jednaka centripetalnoj, koja djeluje na tijelo. Da biste izračunali reakcijsku silu oslonca u gornjoj točki, oduzmite kvadrat brzine od ubrzanja gravitacije za polumjer.
Dobiveni broj pomnožite s masom tijela koje se kreće N=m (g-v²/R). Brzinu treba mjeriti u metrima u sekundi, a radijus u metrima. Pri određenoj brzini, vrijednost ubrzanja usmjerena iz središta kruga može se izjednačiti, pa čak i ubrzanje slobodnog pada, u ovom trenutku nestat će prianjanje tijela na površinu, stoga, na primjer, vozači moraju jasno kontrolirati brzinu na takvim dionicama ceste.
Ako je usmjerena prema dolje, a putanja tijela konkavna, tada izračunajte reakcijsku silu oslonca dodavanjem omjera kvadrata brzine i polumjera zakrivljenosti putanje akceleraciji slobodnog pada, a rezultat pomnožite s tjelesna masa N=m (g+v²/R).
Izvori:
- podrška za snagu
Kretanje u realnim uvjetima ne može se nastaviti beskonačno. Razlog tome je trenje. Javlja se kada tijelo dodiruje druga tijela i uvijek je usmjereno suprotno od smjera kretanja. To znači da je snaga trenje uvijek djeluje negativno raditišto se mora uzeti u obzir u proračunima.
Trebat će vam
- - mjerač vrpce ili daljinomjer;
- - tablica za određivanje koeficijenta trenja;
- - pojam kinetičke energije;
- - vaga;
- - kalkulator.
Uputa
Ako se tijelo giba jednoliko i pravocrtno, pronađite silu koja ga pokreće. Ona nadoknađuje snagu trenje, dakle, brojčano jednako tome, ali na stranu. Mjernom trakom ili daljinomjerom izmjerite udaljenost S preko koje je sila F pomaknula tijelo. Zatim rad snagu trenje bit će jednak proizvodu snagu na udaljenosti sa predznakom minus A=-F∙S.
Primjer. Automobil se kreće cestom ravnomjerno i pravocrtno. Što raditi snagu trenje na udaljenosti od 200 m, ako je sila potiska motora 800 N? S jednolikom ravnom crtom, sila potiska motora je po apsolutnoj vrijednosti jednaka sili trenje. Tada će njezin rad biti jednak A=-F∙S =-800∙200=-160000 J ili -160 kJ.
Učitavam...