Friktion är en kraft som motstår relativ rörelse och den uppstår i gränsytan mellan kropparna, men också inom kropparna, som i fallet med vätskor. Begreppet friktionskoefficient formulerades först av Leonardo da Vinci. Storleken på friktionskoefficienten bestäms av egenskaperna hos ytorna, omgivningen, ytegenskaper, närvaron av smörjmedlet etc.

Friktionslagar

Det finns fem friktionslagar och de är:

• Friktionen hos det rörliga föremålet är proportionell och vinkelrät mot normalkraften.

• Friktionen som föremålet upplever beror på vilken yta det är i kontakt med.

• Friktion är oberoende av kontaktområdet så länge det finns ett kontaktområde.

• Kinetisk friktion är oberoende av hastighet.

• Den statiska friktionskoefficienten är större än den kinetiska friktionskoefficienten.

När vi ser något föremål kan vi se den släta ytan men när samma föremål ses i mikroskop kan det ses att även det släta föremålet har grova kanter. Små kullar och spår kan ses genom mikroskopet, och de är kända som ojämnheter i ytan. Så när ett föremål flyttas över det andra, trasslar dessa ojämnheter på ytan ihop vilket ger upphov till friktion. Mer strävhet, mer blir oregelbundenheterna och större blir kraften som appliceras.

Statisk friktion

Det finns flera teorier om orsakerna till statisk friktion, och som de flesta friktionsrelaterade begrepp, visar sig var och en vara giltig under vissa förhållanden, men misslyckas under andra omständigheter. För verkliga tillämpningar (särskilt de som är relaterade till industriella maskiner och rörelse). Kontrollera de två mest accepterade teorierna bakom statisk friktion har att göra med ytornas mikroskopiska grovhet.

Oavsett hur perfekt en yta är bearbetad, bearbetad och rengjord, kommer den oundvikligen att ha ojämnheter - i huvudsak grovhet, bestående av toppar och dalar, ungefär som en bergskedja. (Tekniskt sett är topparna ojämnheterna.) När två ytor är i kontakt kan det verka som att de har en stor väldefinierad kontaktyta, men i verkligheten sker kontakt bara på vissa ställen – det vill säga där ojämnheterna hos båda ytorna stör.

Summan av dessa små kontaktytor mellan asperiteterna kallas det verkliga eller effektiva kontaktområdet. Eftersom dessa individuella kontaktytor är mycket små är trycket (tryck = kraft ÷ area) mellan ytorna vid dessa punkter mycket högt. Detta extrema tryck tillåter vidhäftning mellan ytorna, via en process som kallas kallsvetsning, som sker på molekylär nivå. Innan ytorna kan röra sig i förhållande till varandra måste bindningarna som orsakar denna vidhäftning brytas.

Ytornas ojämnhet gör dessutom att på vissa ställen kommer den ena ytans ojämnheter att lägga sig i dalgångarna på den andra ytan – med andra ord kommer ytorna att låsa sig.

Dessa förreglade områden måste brytas eller plastiskt deformeras innan ytorna kan röra sig. Med andra ord måste nötning uppstå. Så i de flesta applikationer orsakas statisk friktion av både vidhäftning och nötning av kontaktytorna.

Lagar för statisk friktion

Det finns två lagar för statisk friktion:

1. Första lagen: Den maximala kraften för statisk friktion är inte beroende av kontaktytan.
2. Andra lagen: Den maximala kraften för statisk friktion är jämförbar med normalkraften, dvs om normalkraften ökar, ökar också den maximala yttre kraften som föremålet kan uthärda utan att röra sig.

Härledning för formeln för statisk friktion

Låt oss betrakta ett viktblock mg som ligger på en horisontell yta som visas i figuren. När en kropp trycker mot en yta deformeras ytan även om den verkar vara stel. Den deformerade ytan trycker på kroppen med en normalkraft R som är vinkelrät mot ytan. Detta kallas normal reaktionskraft. Det balanserar mg alltså

R = mg

Låt oss nu tänka på att en kraft P appliceras på blocket. Tydligen förblir kroppen i vila eftersom någon annan kraft F kommer in i den horisontella riktningen och motverkar den applicerade kraften P vilket resulterar i nettokraft noll på kroppen. Denna kraft F som verkar längs kroppens yta i kontakt med bordets yta kallas friktionskraft.

Så så länge kroppen inte rör sig F = P. Det betyder att om vi ökar P så ökar friktionen F också, och förblir alltid lika med P.

Denna friktionskraft som spelar in tills den faktiska rörelsen har startat kallas statisk friktion.

Statisk friktionskoefficient

Statisk friktion är friktion som upplevs när ett föremål placeras på en yta. Och kinetisk friktion beror på rörelsen av ett föremål på en yta. Friktion kännetecknas väl av friktionskoefficienten och förklaras som förhållandet mellan friktionskraften och normalkraften. Detta hjälper föremålet att ligga på en yta. Den statiska friktionskoefficienten är en skalär storhet och betecknas som μ_s.

Formeln för den statiska friktionskoefficienten uttrycks som

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

Var

m _s = statisk friktionskoefficient

F = statisk friktionskraft

N = normalkraft

Kinetisk friktion

Kinetisk friktion definieras som en kraft som verkar mellan rörliga ytor. En kropp som rör sig på ytan upplever en kraft i motsatt riktning av sin rörelse. Storleken på kraften kommer att bero på den kinetiska friktionskoefficienten mellan de två materialen.

Friktion definieras lätt som den kraft som håller tillbaka ett glidande föremål. Den kinetiska friktionen är en del av allt och den stör rörelsen hos två eller flera föremål. Kraften verkar i motsatt riktning mot hur ett föremål vill glida.

Om en bil måste stanna bromsar vi och det är precis där friktionen spelar in. När man går, när man plötsligt vill stanna, är friktion att tacka igen. Men när vi måste stanna mitt i en pöl blir det svårare eftersom friktionen är mindre där och inte kan hjälpa en så mycket.

Att övervinna den statiska friktionen mellan två ytor tar i huvudsak bort både de molekylära hindren (kallsvetsning mellan ojämnheter) och, i viss mån, de mekaniska hindren (interferens mellan ytornas ojämnheter och dalar) för rörelse. När rörelse väl initierats fortsätter viss nötning att inträffa, men på en mycket lägre nivå än vid statisk friktion och den relativa hastigheten mellan ytorna ger otillräcklig tid för ytterligare kallsvetsning att inträffa (förutom vid extremt låg hastighet).

När det mesta av vidhäftningen och nötningen övervinns för att inducera rörelse, reduceras motståndet mot rörelse mellan ytorna, och ytorna rör sig nu under inverkan av kinetisk friktion, som är mycket lägre än statisk friktion.

Lagar för kinetisk friktion

Det finns fyra lagar för kinetisk friktion:

1. Första lagen: Den kinetiska friktionens kraft (F_k) är direkt proportionell mot den normala reaktionen (N) mellan två ytor i kontakt. Var, m _k = konstant som kallas kinetisk friktionskoefficient.
2. Andra lagen: Den kinetiska friktionskraften är oberoende av formen och den synliga arean på ytorna i kontakt.
3. Tredje lagen: Det beror på naturen och materialet på ytan i kontakt.
4. Fjärde lagen: Den är oberoende av hastigheten hos föremålet i kontakt förutsatt att den relativa hastigheten mellan föremålet och ytan inte är för stor.

Formel för kinetisk friktion

Den kinetiska friktionskoefficienten betecknas med den grekiska bokstaven mu ( m ), med en nedsänkt k. Den kinetiska friktionens kraft är m _k gånger normalkraften på en kropp. Det uttrycks i Newton (N).

Den kinetiska friktionsekvationen kan skrivas som:

Kinetisk friktionskraft = (kinetisk friktionskoefficient) (normalkraft)

F _k = m _k h

Var,

F _k = kinetisk friktionskraft

m _k kinetisk friktionskoefficient

h = normalkraft (grekisk bokstav eta)

Härledning för formeln för kinetisk friktion

Låt oss överväga ett viktblock mg liggande på en horisontell yta som visas i figuren. När en kropp trycker mot en yta deformeras ytan även om den verkar vara stel. Den deformerade ytan trycker på kroppen med en normal kraft R som är vinkelrät mot ytan. Detta kallas normal reaktionskraft. Det balanserar mg alltså R = mg .

cout

Låt oss nu betrakta det som en kraft P appliceras på blocket enligt bilden. Klart kroppen förblir i vila eftersom någon annan kraft F spelar in i horisontell riktning och motverkar den applicerade kraften P vilket resulterar i nettokraft noll på kroppen. Denna kraft F som verkar längs kroppens yta i kontakt med bordets yta kallas friktionskraft .

Så länge kroppen inte rör sig F = P . Det betyder att om vi ökar P så ökar även friktionen F, och förblir alltid lika med P.

När vi ökar den applicerade kraften något utöver den begränsande friktionen, startar den faktiska rörelsen. Det betyder inte att friktionen har försvunnit. Det betyder bara att kraften har övervunnit den begränsande friktionen. Denna friktionskraft i detta skede är känd som kinetisk friktion eller dynamisk friktion.

Kinetisk friktion eller dynamisk friktion är den motsatta kraften som spelar in när en kropp faktiskt rör sig över en annan kropps yta.

Tillämpning av statisk och kinetisk friktion

Tillämpningar av statisk friktion

Några verkliga exempel på statisk friktion ges i punkterna nedan:

• Papper på en bordsskiva
• En handduk hängande på ett ställ
• Ett bokmärke i en bok
• En bil parkerad på en kulle

Tillämpningar av kinetisk friktion

Några verkliga exempel på kinetisk friktion ges i punkterna nedan.

• Friktion spelar också en stor roll i vardagliga händelser som när gnidning av två föremål äger rum. Den resulterande rörelsen omvandlas till värme och resulterar därmed i brand i vissa fall.
• Det är också ansvarigt för slitage och det är därför vi behöver olja för att smörja maskindelar, eftersom det minskar friktionen.
• När två föremål gnuggas mot varandra omvandlas friktionskraften till termisk energi, vilket i få fall ger upphov till brand
• Kinetisk friktion är ansvarig för slitaget på maskindelar, därför är det viktigt att smörja maskindelarna med olja.

Skillnaden mellan statisk och kinetisk friktion

Provproblem baserade på statisk och kinetisk friktion

Fråga 1: En man skjuter en stor kartong med en vikt på 75,0 kg låda över golvet.

Lösning:

Den kinetiska friktionskoefficienten är μ_k= 0,520

Arbetaren utövar en kraft på 400,0 N framåt.

Hur stor är friktionskraften?

Svar: På en plan yta kan normalkraften för ett föremål fastställas med formeln

h = mg

Genom att ersätta värdet på η i ekvationen F_k= m_kη, vi får

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

Fråga 2: I ovanstående fråga, beräkna nettokraften som rör lådan?

Lösning:

Nettokraften som verkar på en kropp är summan av alla krafter som verkar på kroppen.

I detta fall är krafterna som verkar på kroppen den kraft som utövas av mannen och den kinetiska friktionen som verkar i motsatt riktning.

Om framåtrörelsen anses vara positiv, beräknas nettokraften enligt följande:

F_netto= F_arbetstagare– F_k

Genom att ersätta värdena i ovanstående ekvation får vi

F_netto= 400 N – 382,2 N = 17,8 N

Fråga 3: Varför upplever rullande rörelse friktion?

Svar:

I teorin gör en boll punktkontakt med ytan.

Men i verkligheten deformeras kulan (och/eller ytan) på grund av belastningen, och kontaktytan blir elliptisk.

I teorin bör rullande ytor, såsom de som finns i de flesta roterande och linjära lager (förutom glidlager), inte stöta på friktionskrafter.

Men i verkliga tillämpningar orsakar tre faktorer friktion i rullande ytor:

1. Microslip mellan ytorna (ytorna glider i förhållande till varandra)

2. Materialens oelastiska egenskaper (d.v.s. deformation).

3. Ytornas ojämnhet

Fråga 4: Ett föremål med en massa på 10 kg placeras på en slät yta. Statisk friktion mellan dessa två ytor anges som 15 N. Hitta koefficienten för statisk friktion?

Lösning:

Given

m = 10 kg

F = 15 N

m_s= ?

Vi vet det,

Normalkraft, N = mg

Så, N = 10 × 9,81 = 98,1 N

Formeln för statisk friktionskoefficient är,

m_s= 15/N

dfs vs bfs

m_s= 15/98,1

m _s = 0,153

Fråga 5: Normalkraften och den statiska friktionskraften för ett föremål är 50 N respektive 80 N. Hitta koefficienten för statisk friktion?

Lösning:

Given

N = 50 N

F = 80 N och μ_s= ?

Formeln för statisk friktionskoefficient är

m_s= F/N

m_s= 80/50

m_s= 1,6

Fråga 6: Vad är sambandet mellan statisk och kinetisk friktion?

Svar:

Kraften av statisk friktion håller ett stationärt föremål i vila. När väl den statiska friktionens kraft är övervunnen, är kraften för kinetisk friktion det som saktar ner ett rörligt föremål.

Fråga 7: Ett kylskåp väger 1619 N och den statiska friktionskoefficienten är 0,50. Vilken är den minsta kraft som används för att flytta kylskåpet?

Lösning:

Given data:

Kylskåpets vikt, W=1619 N

B=1619 N

Statisk friktionskoefficient, μ_s= 0,50

Den minsta kraft som krävs för att flytta kylen kan ges som,

F = m_sI

F = 0,50 × 1619

F = 809,50 N.