Innhold
Overflater utøver en friksjonskraft som motstår skyvebevegelser, og du må beregne størrelsen på denne styrken som en del av mange fysiske problemer. Mengden av friksjon avhenger hovedsakelig av den "normale kraften", hvilke overflater som utøves på gjenstandene som sitter på dem, samt egenskapene til den spesifikke overflaten du vurderer. For de fleste formål kan du bruke formelen F = μN å beregne friksjon, med N står for den "normale" styrken og "μ”Innlemmer overflatenes egenskaper.
TL; DR (for lang; ikke lest)
Beregn friksjonskraften ved å bruke formelen:
F = μN
Hvor N er normalkraften og μ er friksjonskoeffisienten for materialene dine, og om de er stasjonære eller beveger seg. Normalkraften er lik gjenstandens vekt, så dette kan også skrives:
F = μmg
Hvor m er massen til objektet og g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften. Friksjonen fungerer for å motsette seg bevegelsen til objektet.
Hva er friksjon?
Friksjon beskriver kraften mellom to flater når du prøver å bevege den ene over den andre. Kraften motstår bevegelse, og i de fleste tilfeller virker styrken i motsatt retning av bevegelsen. Nede på molekylært nivå, når du trykker to flater sammen, kan mindre ufullkommenheter i hver overflate låses sammen, og det kan være attraktive krefter mellom molekylene i det ene materialet og det andre. Disse faktorene gjør det vanskeligere å flytte dem forbi hverandre. Du jobber ikke på dette nivået når du beregner friksjonskraften. I hverdagslige situasjoner grupperer fysikere alle disse faktorene i "koeffisienten" μ.
Beregning av friksjonskraften
Den "normale" kraften beskriver kraften som overflaten et objekt hviler på (eller presses på) utøver på objektet. For en stille gjenstand på en flat overflate, må styrken nøyaktig motsette seg kraften på grunn av tyngdekraften, ellers ville gjenstanden bevege seg, i henhold til Newtons bevegelseslover. Den "normale" kraften (N) er navnet på styrken som gjør dette.
Den virker alltid vinkelrett på overflaten. Dette betyr at på en skrå overflate vil normalkraften fremdeles peke direkte bort fra overflaten, mens tyngdekraften peker direkte nedover.
Normalkraften kan ganske enkelt beskrives i de fleste tilfeller ved:
N = mg
Her, m representerer objektets masse, og g står for akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, som er 9,8 meter per sekund per sekund (m / s2), eller nettwons per kilogram (N / kg). Dette stemmer ganske enkelt med objektets "vekt".
For skråflater reduseres styrken til normalkraften jo mer overflaten er skråstilt, så formelen blir:
N = mg cos (θ)
Med θ står for vinkelen overflaten er tilbøyelig til.
For en enkel eksempelberegning, bør du vurdere en flat overflate med en 2 kg treblokk som sitter på den. Normalkraften skulle peke direkte oppover (for å støtte vekten på blokken), og du ville beregne:
N = 2 kg × 9,8 N / kg = 19,6 N
Koeffisienten avhenger av objektet og den spesifikke situasjonen du jobber med. Hvis objektet ikke allerede beveger seg over overflaten, bruker du statisk friksjonskoeffisient μstatisk, men hvis det beveger seg bruker du skyvefriksjonskoeffisienten μlysbilde.
Generelt er koeffisienten for glidende friksjon mindre enn statisk friksjonskoeffisient. Med andre ord er det lettere å skyve noe som allerede glir, enn å skyve noe som fremdeles er.
Materialene du vurderer påvirker også koeffisienten. For eksempel, hvis treblokken fra tidligere var på en murflate, ville koeffisienten være 0,6, men for rent trevirke kan det være hvor som helst fra 0,25 til 0,5. For is på is er den statiske koeffisienten 0,1. Igjen reduserer glidekoeffisienten dette enda mer, til 0,03 for is på is og 0,2 for tre på tre. Slå disse opp for overflaten din ved hjelp av en online tabell (se Ressurser).
Formelen for friksjonskraften sier:
F = μN
For eksempel kan du vurdere en treblokk med en masse på 2 kg på et trebord og skyves fra stasjonær. I dette tilfellet bruker du den statiske koeffisienten, med μstatisk = 0,25 til 0,5 for trevirke. tar μstatisk = 0,5 for å maksimere potensiell effekt av friksjon, og huske N = 19,6 N fra tidligere er styrken:
F = 0,5 × 19,6 N = 9,8 N
Husk at friksjon bare gir kraft for å motstå bevegelse, så hvis du begynner å skyve den forsiktig og bli fastere, vil friksjonskraften øke til en maksimal verdi, og det er det du nettopp har beregnet. Fysikere skriver noen ganger Fmax for å gjøre dette poenget klart.
Når blokken er i bevegelse, bruker du μlysbilde = 0,2, i dette tilfellet:
Flysbilde = μlysbilde N
= 0,2 × 19,6 N = 3,92 N