Kitkavoima on fysikaalinen suure, joka estää kehon liikkeen. Se tapahtuu yleensä, kun kappaleet liikkuvat kiinteässä, nestemäisessä ja kaasumaisessa aineessa. Erilaisilla kitkavoimilla on tärkeä rooli ihmisen elämässä, koska ne estävät kehon liiallisen nopeuden lisääntymisen.
Kitkavoimien luokitus
Yleensä kaiken tyyppisiä kitkavoimia kuvataan kolmella tyypillä: liukumisen, vierimisen ja lepäämisen kitkavoima. Ensimmäinen on staattinen, kaksi muuta ovat dynaamisia. Lepotilassa oleva kitka estää kehoa alkamasta liikkua, liukuessa puolestaan kitkaa syntyy, kun keho hankaa toisen kehon pintaa liikkeensä aikana. Vierintäkitka syntyy, kun pyöreä esine liikkuu. Otetaan esimerkki. Hämmästyttävä esimerkki tyypistä (vierintäkitkavoima) on auton pyörien liike asf altilla.
Kitkavoimien luonne on mikroskooppisten epätäydellisyyksien olemassaolo kahden kappaleen hankauspintojen välillä. Tästä syystä tuloksena oleva voima vaikuttaaliikkuva tai liikkuva esine muodostuu tuen normaalireaktion voiman N, joka on suunnattu kohtisuoraan kosketuksissa olevien kappaleiden pintaan nähden, ja kitkavoiman F summasta. Jälkimmäinen on suunnattu yhdensuuntaisesti kosketuskappaleiden pintaan nähden. kosketuspinta ja on vastapäätä kehon liikettä.
Kahden kiinteän aineen välinen kitka
Kun tarkasteltiin kysymystä erityyppisistä kitkavoimista, havaittiin seuraavat kuviot kahdelle kiinteälle kappaleelle:
- Kitkavoima on suunnattu tukipinnan suuntaisesti.
- Kitkakerroin riippuu kosketuspintojen luonteesta sekä niiden kunnosta.
- Maksimikitkavoima on suoraan verrannollinen kosketuspintojen väliin vaikuttavaan normaalivoimaan tai tukireaktioon.
- Samoille kappaleille kitkavoima on suurempi ennen kuin keho alkaa liikkua ja sitten pienenee, kun keho alkaa liikkua.
- Kitkakerroin ei riipu kosketuspinnasta, eikä se käytännössä riipu liukunopeudesta.
Lait
Yhteenvetona liikelakeja koskevasta kokeellisesta materiaalista olemme määrittäneet seuraavat kitkaa koskevat peruslait:
- Liukuvastus kahden kappaleen välillä on verrannollinen niiden välillä vaikuttavaan normaalivoimaan.
- Liikkojen vastustuskyky hankauskappaleiden välillä ei riipu niiden välisestä kosketusalueesta.
Toisen lain osoittamiseksi voimme antaa seuraavan esimerkin: jos otat lohkon ja siirrät sitä liu'uttamalla sen pinnalla, niin tällaiseen liikkeeseen tarvittava voimaon sama, kun lohko makaa pinnalla pitkällä sivullaan ja kun se seisoo päänsä kanssa.
Leonard da Vinci keksi 1400-luvun lopulla fysiikan erityyppisiä kitkavoimia koskevat lait. Sitten ne unohdettiin pitkäksi aikaa, ja vasta vuonna 1699 ranskalainen insinööri Amonton löysi ne uudelleen. Siitä lähtien kitkan lait ovat kantaneet hänen nimeään.
Miksi kitkavoima on suurempi kuin liukumisen levossa?
Kun tarkastellaan useita erilaisia kitkavoimia (lepo- ja liukuvoimat), on huomioitava, että staattinen kitkavoima on aina pienempi tai yhtä suuri kuin staattisen kitkakertoimen ja tuen reaktiovoiman tulo. Kitkakerroin määritetään kokeellisesti näille hankausmateriaaleille ja syötetään asianmukaisiin taulukoihin.
Dynaaminen voima lasketaan samalla tavalla kuin staattinen voima. Vain tässä tapauksessa kitkakerrointa käytetään erityisesti liukumiseen. Kitkakerroin on yleensä merkitty kreikkalaisella kirjaimella Μ (mu). Siten molempien kitkavoimien yleinen kaava on: Ftr=ΜN, missä N on tuen reaktiovoima.
Tällaisten kitkavoimien välisen eron luonnetta ei ole tarkasti määritetty. Useimmat tutkijat uskovat kuitenkin, että staattinen kitkavoima on suurempi kuin liukumisen, koska kappaleiden ollessa levossa suhteessa toisiinsa jonkin aikaa, pintojen väliin voi muodostua ionisidoksia tai pintojen yksittäisten pisteiden mikrofuusioita. Nämä tekijät lisäävät staattista sähköäilmaisin.
Esimerkki useista kitkatyypeistä ja niiden ilmenemismuodoista on auton moottorin sylinterissä oleva mäntä, joka "juotetaan" sylinteriin, jos moottori ei ole käynnissä pitkään aikaan.
Vaakasuuntainen liukuva runko
Otetaan liikeyhtälö kappaleelle, joka ulkoisen voiman Fin vaikutuksesta alkaa liikkua pintaa pitkin liu'uttamalla. Tässä tapauksessa kehoon vaikuttavat seuraavat voimat:
- Fv – ulkoinen voima;
- Ftr – kitkavoima, joka on vastakkainen voiman Fv;
- N on tuen reaktiovoima, joka on itseisarvoltaan yhtä suuri kuin kappaleen P paino ja on suunnattu pintaan eli suorassa kulmassa siihen.
Kaikkien voimien suunnat huomioiden kirjoitamme Newtonin toisen lain tälle liiketapaukselle: Fv - Ftr=ma, missä m - kehon massa, a - liikkeen kiihtyvyys. Kun tiedämme, että Ftr=ΜN, N=P=mg, missä g on vapaan pudotuksen kiihtyvyys, saadaan: Fv – Μmg=ma. Mistä ilmaisemalla kiihtyvyyden, jolla liukukappale liikkuu, saadaan: a=F in / m – Μg.
Jäykän kappaleen liike nesteessä
Kun pohditaan, millaisia kitkavoimia on olemassa, on syytä mainita tärkeä fysiikan ilmiö, joka on kuvaus siitä, kuinka kiinteä kappale liikkuu nesteessä. Tässä tapauksessa puhumme aerodynaamisesta kitkasta, joka määräytyy kehon nopeuden mukaan nesteessä. Liikkeitä on kahdenlaisia:
- Milloinjäykkä kappale liikkuu pienellä nopeudella, puhutaan laminaariliikkeestä. Laminaariliikkeen kitkavoima on verrannollinen nopeuteen. Esimerkki on Stokesin laki pallomaisille kappaleille.
- Kun kehon liike nesteessä tapahtuu korkeammalla nopeudella kuin tietty kynnysarvo, nestevirtojen aiheuttamia pyörteitä alkaa ilmaantua kehon ympärille. Nämä pyörteet luovat lisävoimaa, joka estää liikettä, ja sen seurauksena kitkavoima on verrannollinen nopeuden neliöön.
Viirin kitkavoiman luonne
Kitkavoimatyypeistä puhuttaessa on tapana kutsua vierintäkitkavoimaa kolmanneksi tyypiksi. Se ilmenee, kun kappale kiertyy tietyn pinnan yli ja tapahtuu tämän kappaleen ja itse pinnan muodonmuutoksia. Eli kun kyseessä on täysin muotoutumaton runko ja pinta, ei ole mitään järkeä puhua vierintäkitkavoimasta. Katsotaanpa tarkemmin.
Viirintäkitkakertoimen käsite on samanlainen kuin liukuessa. Koska rullauksen aikana ei tapahdu luistoa kappaleiden pintojen välillä, vierintäkitkakerroin on paljon pienempi kuin liukuessa.
Pääkertoimeen vaikuttava tekijä on mekaanisen energian hystereesi vierintäkitkavoiman tyypin mukaan. Erityisesti pyörä, riippuen materiaalista, josta se on valmistettu, sekä sen kantamasta kuormasta, muuttuu elastisesti liikkeen aikana. Toistuvat elastisen muodonmuutoksen syklit johtavat osan mekaanisesta energiasta siirtymiseen lämpöenergiaksi. Lisäksi johtuenvaurioita, pyörän ja pinnan kosketuksessa on jo rajallinen kosketusalue.
vierintäkitkavoimakaava
Jos käytetään lauseketta pyörää pyörittävälle voimamomentille, saadaan, että vierintäkitkavoima on Ftr.k.=Μ k N / R, tässä N on tuen reaktio, R on pyörän säde, Μк – vierintäkitkakerroin. Siten vierintäkitkavoima on kääntäen verrannollinen säteeseen, mikä selittää suurten pyörien edun pieniin verrattuna.
Tämän voiman käänteinen verrannollisuus pyörän säteeseen viittaa siihen, että kun on kyse kahdesta eri säteisestä pyörästä, joilla on sama massa ja jotka on valmistettu samasta materiaalista, suuremman säteen omaava pyörä on helpompi asentaa. lykätä.
Viirintäsuhde
Tämän tyyppisen kitkavoiman kaavan mukaisesti saadaan, että vierintäkitkakertoimella Μk on pituusmitta. Se riippuu pääasiassa kontaktihenkilöiden luonteesta. Arvoa, jonka määrittää vierintäkitkakertoimen suhde säteeseen, kutsutaan vierintäkertoimeksi, eli Ck=Μk / R on mitaton suure.
Viirintäkerroin Ck on huomattavasti pienempi kuin liukukitkakerroin Μtr. Siksi, kun vastataan kysymykseen, minkä tyyppinen kitkavoima on pienin, voimme turvallisesti kutsua vierintäkitkavoimaa. Tämän tosiasian ansiosta pyörän keksintöä pidetään tärkeänä askeleena teknisessä kehityksessä.ihmiskunta.
Viirintäsuhde on järjestelmäkohtainen ja riippuu seuraavista tekijöistä:
- pyörän ja pinnan kovuus (mitä pienempi kappaleiden muodonmuutos liikkeen aikana tapahtuu, sitä pienempi vierintäkerroin);
- pyörän säde;
- pyörään vaikuttava paino;
- kosketuspinta-ala ja sen muoto;
- viskositeetti pyörän ja pinnan kosketusalueella;
- kehonlämpö
