Kitka on ilmiö, jota kohtaamme jokapäiväisessä elämässä jatkuvasti. On mahdotonta määrittää, onko kitka haitallista vai hyödyllistä. Askeleen ottaminen liukkaalla jäällä tuntuu vaikealta tehtävältä, käveleminen karkealla asfaltilla on nautintoa. Auton osat ilman voitelua kuluvat paljon nopeammin.
Kitkan tutkimus, sen perusominaisuuksien tuntemus antaa henkilön käyttää sitä.
Kitkavoima fysiikassa
Voimaa, joka syntyy yhden kappaleen liikkeestä tai liikeyrityksestä toisen pinnalla, liikkeen suuntaa vastaan suunnattu, liikkuviin kappaleisiin kohdistuva voima, kutsutaan kitkavoimaksi. Kitkavoiman moduuli, jonka kaava riippuu monista parametreista, vaihtelee vastustyypistä riippuen.
Seuraavat kitkatyypit erotetaan:
lipsahdus;
rullaa.
Jokainen yritys siirtää painavaa esinettä (kaappi, kivi) paikaltaan johtaa jännitykseen, mutta aina ei kuitenkaan ole mahdollista saada esinettä liikkeelle. Häiritsee lepoa.
Lepotila
Laskettu staattinen kitka ei salli sitä riittävän tarkasti. Newtonin kolmannen lain toimesta staattisen vastusvoiman suuruus riippuu käytetystä voimasta.
Kun voima kasvaa, myös kitkavoima kasvaa.
0 < F тр.покоя < F max
Ei anna puuhun lyötyjen naulojen pudota pois; langalla ommeltut napit pysyvät tiukasti paikoillaan. Mielenkiintoista on, että levon vastustus sallii ihmisen kävellä. Lisäksi se on suunnattu ihmisen liikkeen suuntaan, mikä on ristiriidassa yleisen asiaintilan kanssa.
lipsahdus ilmiö
Kun kehoa liikuttava ulkoinen voima kasvaa suurimman staattisen kitkavoiman arvoon, se alkaa liikkua. Liukukitkavoimaa tarkastellaan prosessissa, jossa yksi kappale liu'utetaan toisen pinnan yli. Sen arvo riippuu vuorovaikutuksessa olevien pintojen ominaisuuksista ja pintaan kohdistuvan pystysuoran vaikutuksen voimasta.
Liukukitkavoiman laskentakaava: F=μР, missä μ on suhteellisuuskerroin (liukukitka), Р on pystysuora (normaali) painevoima.
Yksi liikettä ohjaavista voimista on liukukitkavoima, jonka kaava kirjoitetaan tuen reaktiovoimalla. Newtonin kolmannen lain täyttymisestä johtuen normaalipaineen voimat ja tuen reaktio ovat suuruudeltaan samat ja suunnassa vastakkaiset: P \u003d N.
Ennen kuin löydetään kitkavoima, jonka kaava saa eri muodon (F=μ N), määritetään reaktiovoima.
Liukuvastuskerroin otetaan käyttöön kokeellisesti kahdelle hankauspinnalle ja riippuu niiden käsittelyn ja materiaalin laadusta.
Pöytä. Vastuskertoimen arvo eri pinnoille
| Nro s | Vuorovaikutuksessa olevat pinnat | Liukukitkakertoimen arvo |
Teräs + jää | ||
Nahka + valurauta | ||
pronssi + rauta | ||
Pronssi + valurauta | ||
Teräs + teräs |
Suurin staattisen kitkan voima, jonka kaava kirjoitettiin yllä, voidaan määrittää samalla tavalla kuin liukukitkavoima.
Tämä tulee tärkeäksi, kun ratkaistaan ongelmia ajovastuksen vahvuuden määrittämiseksi. Esimerkiksi kirja, jota liikutetaan ylhäältä puristetulla kädellä, liukuu käden ja kirjan väliin syntyvän lepovastusvoiman vaikutuksesta. Vastuksen määrä riippuu kirjaan kohdistuvan pystypainevoiman arvosta.
pyörivä ilmiö
Esi-isiemme siirtymistä vaunuista vaunuihin pidetään vallankumouksellisena. Pyörän keksintö on ihmiskunnan suurin keksintö. joka tapahtuu, kun pyörä liikkuu pitkin pintaa, on huomattavasti pienempi kuin liukuvastus.
Tapahtuma liittyy pyörän normaalipaineen voimiin pintaan, ja sillä on luonne, joka erottaa sen liukumisesta. Pyörän lievästä muodonmuutoksesta johtuen muodostuvan alueen keskelle ja sen reunoille syntyy erilaisia painevoimia. Tämä voimien ero määrittää vierintävastuksen esiintymisen.
Vierintäkitkavoiman laskentakaava otetaan yleensä samalla tavalla kuin liukuprosessi. Ero näkyy vain vastuskertoimen arvoissa.
Vastustuksen luonne
Kun hankauspintojen karheus muuttuu, muuttuu myös kitkavoiman arvo. Suurella suurennuksella kaksi kosketuksissa olevaa pintaa näyttävät kuohuvilta, joissa on terävät piikit. Kun ne asetetaan päällekkäin, kehon ulkonevat osat ovat kosketuksissa toisiinsa. Kokonaiskontaktialue on merkityksetön. Kun liikutetaan tai yritetään siirtää ruumiita, "huiput" luovat vastusta. Kitkavoiman suuruus ei riipu kosketuspintojen pinta-alasta.
Näyttää siltä, että kahdella ihanteellisesti sileällä pinnalla ei pitäisi olla minkäänlaista vastusta. Käytännössä kitkavoima tässä tapauksessa on suurin. Tämä ero selittyy voimien alkuperän luonteella. Nämä ovat sähkömagneettisia voimia, jotka vaikuttavat vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden atomien välillä.
Mekaaniset prosessit, joihin luonnossa ei liity kitkaa, ovat mahdottomia, koska varautuneiden kappaleiden sähköistä vuorovaikutusta ei voida "sammuttaa". Vastusvoimien riippumattomuus kappaleiden keskinäisestä asennosta antaa meille mahdollisuuden kutsua niitä ei-potentiaalisiksi.
Mielenkiintoista on, että kitkavoima, jonka kaava muuttuu vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden nopeuden mukaan, on verrannollinen vastaavan nopeuden neliöön. Tämä voima viittaa nesteen viskoosisen vastuksen voimaan.
Liikkuminen nesteessä ja kaasussa
Kiinteän kappaleen liikkumiseen nesteessä tai kaasussa, nesteessä kiinteän pinnan lähellä liittyy viskoosinen vastus. Sen esiintyminen liittyy kiinteän kappaleen mukanaan tuomien nestekerrosten vuorovaikutukseen liikkeen aikana. Erilaiset kerrosnopeudet ovat viskoosin kitkan lähde. Tämän ilmiön erikoisuus on nesteen staattisen kitkan puuttuminen. Ulkoisen vaikutuksen suuruudesta riippumatta keho alkaa liikkua ollessaan nesteessä.
Liikkeen nopeudesta riippuen vastusvoiman määrää liikkeen nopeus, liikkuvan kappaleen muoto ja nesteen viskositeetti. Saman kappaleen vedessä ja öljyssä liikkumiseen liittyy erisuuruinen vastus.
Pienillä nopeuksilla: F = kv, missä k on kappaleen lineaarisista mitoista ja väliaineen ominaisuuksista riippuva suhteellinen tekijä, v on kappaleen nopeus.
Nesteen lämpötila vaikuttaa myös sen kitkaan. Pakkasella autoa lämmitetään niin, että öljy lämpenee (sen viskositeetti laskee) ja auttaa vähentämään kosketuksissa olevien moottorin osien tuhoutumista.
Liikkumisnopeuden lisääminen
Rungon nopeuden merkittävä lisääntyminen voi aiheuttaa turbulenttisia virtauksia, kun taas vastus kasvaa jyrkästi. Tärkeää on: liikkeen nopeuden neliö, väliaineen tiheys ja kitkavoima saa eri muodon:
F \u003d kv 2, jossa k on kappaleen muodosta ja väliaineen ominaisuuksista riippuva suhteellisuustekijä, v on kappaleen nopeus.
Jos rungolle annetaan virtaviivainen muoto, turbulenssia voidaan vähentää. Delfiinien ja valaiden vartalon muoto on täydellinen esimerkki eläinten nopeuteen vaikuttavista luonnonlaeista.
Energialähestymistapa
Väliaineen vastus estää kehon liikkumisen. Energian säilymislakia käytettäessä sanotaan, että mekaanisen energian muutos on yhtä suuri kuin kitkavoimien työ.
Voiman työ lasketaan kaavalla: A = Fscosα, jossa F on voima, jolla kappale liikkuu etäisyyden s, α on voiman ja siirtymän suunnan välinen kulma.
Ilmeisesti vastusvoima on vastakkainen kappaleen liikkeelle, mistä cosα = -1. Kitkavoiman työ, jonka kaava on A tr \u003d - Fs, on negatiivinen arvo. Tässä tapauksessa se muuttuu sisäiseksi (muodonmuutos, lämmitys).
Kitkavoima on määrä, jonka kanssa kaksi pintaa ovat vuorovaikutuksessa liikkuessaan. Se riippuu kehon ominaisuuksista, liikesuunnasta. Kitkan vuoksi kehon nopeus laskee ja pian se pysähtyy.
Kitkavoima on suunnattu suuruus, joka on riippumaton tuen ja kohteen pinta-alasta, koska liikkeen ja alueen kasvaessa tuen reaktiovoima kasvaa. Tämä arvo otetaan huomioon kitkavoiman laskennassa. Tämän seurauksena Ftr \u003d N * m. Tässä N on tukireaktio ja m on kerroin, joka on vakioarvo, ellei erittäin tarkkoja laskelmia tarvita. Tämän kaavan avulla voit laskea liukukitkavoiman, joka tulee ehdottomasti ottaa huomioon liikkumiseen liittyviä ongelmia ratkaistaessa. Jos runko pyörii pinnalla, vierintävoima on sisällytettävä kaavaan. Sitten kitka voidaan löytää kaavalla Froll = f*N/r. Kaavan mukaan kappaleen pyöriessä sen säteellä on merkitystä. F:n arvo on kerroin, joka voidaan löytää, kun tiedetään, mistä materiaalista kappale ja pinta on tehty. Tämä on kerroin, joka on taulukossa.Kitkavoimaa on kolme:
- levätä;
- lipsahdus;
- rullaa.
Kun tiedät kappaleiden fysikaaliset ominaisuudet ja niihin liittyvät voimat, voit helposti laskea kitkavoiman.
Kitkavoima maanpäällisissä olosuhteissa seuraa kaikkia kappaleiden liikkeitä. Se tapahtuu kahden kehon koskettaessa toisiinsa, jos nämä kappaleet liikkuvat suhteessa toisiinsa. Kitkavoima suuntautuu aina kosketuspintaa pitkin, toisin kuin kimmovoima, joka on suunnattu kohtisuoraan (kuva 1, kuva 2).
Riisi. 1. Kitkavoiman ja kimmovoiman suuntien välinen ero
Riisi. 2. Pinta vaikuttaa tankoon, ja tanko vaikuttaa pintaan
On olemassa kuivaa ja ei-kuivaa kitkaa. Kuiva kitka tapahtuu, kun kiinteät aineet joutuvat kosketuksiin.
Harkitse vaakasuoralla pinnalla olevaa tankoa (kuva 3). Siihen vaikuttavat painovoima ja tuen reaktiovoima. Toimitaan tangolle pienellä voimalla , suunnattu pintaa pitkin. Jos tanko ei liiku, kohdistettua voimaa tasapainottaa toinen voima, jota kutsutaan staattiseksi kitkavoimaksi.
Riisi. 3. Staattisen kitkan voima
Staattinen kitkavoima () suunnaltaan vastakkainen ja suuruudeltaan yhtä suuri kuin voima, joka pyrkii liikuttamaan kehoa samansuuntaisesti sen pinnan kanssa, jossa se koskettaa toista kappaletta.
Kun "leikkausvoima" kasvaa, tanko pysyy levossa, joten myös staattinen kitkavoima kasvaa. Pienellä, riittävän suurella voimalla tanko alkaa liikkua. Tämä tarkoittaa, että staattinen kitkavoima ei voi kasvaa äärettömään - on yläraja, jota se ei voi ylittää. Tämän rajan arvo on suurin staattinen kitkavoima.
Toimitaan tangolla dynamometrillä.
Riisi. 4. Kitkavoiman mittaaminen dynamometrillä
Jos dynamometri vaikuttaa siihen voimalla, voidaan nähdä, että suurin staattinen kitkavoima kasvaa tangon massan kasvaessa, eli painovoiman ja reaktiovoiman kasvaessa. tuki. Jos mittaukset tehdään tarkat, ne osoittavat, että suurin staattinen kitkavoima on suoraan verrannollinen tuen reaktiovoimaan:
missä on suurimman staattisen kitkavoiman moduuli; N– tukireaktiovoima (normaalipaine); - staattinen kitkakerroin (suhteellisuus). Siksi suurin staattinen kitkavoima on suoraan verrannollinen normaalipaineen voimaan.
Jos teemme kokeen dynamometrillä ja vakiomassaisella tangolla, samalla kun käännämme tankoa eri puolille (muutetaan kosketusaluetta pöydän kanssa), voimme nähdä, että suurin staattinen kitkavoima ei muutu ( kuva 5). Siksi suurin staattinen kitkavoima ei riipu kosketuspinnasta.
Riisi. 5. Staattisen kitkavoiman maksimiarvo ei riipu kosketuspinnasta
Tarkemmat tutkimukset osoittavat, että staattinen kitka määräytyy kokonaan kehoon kohdistuvan voiman ja kaavan mukaan.
Staattinen kitkavoima ei aina estä kehoa liikkumasta. Esimerkiksi staattinen kitkavoima vaikuttaa kengän pohjaan antaen samalla kiihtyvyyttä ja sallien sinun kävellä maassa liukastumatta (kuva 6).
Riisi. 6. Kengän pohjaan vaikuttava staattinen kitkavoima
Toinen esimerkki: auton pyörään vaikuttava staattinen kitkavoima mahdollistaa liikkeen aloittamisen luistamatta (kuva 7).
Riisi. 7. Auton pyörään vaikuttava staattinen kitkavoima
Hihnakäytöissä myös staattinen kitkavoima vaikuttaa (kuva 8).
Riisi. 8. Hihnakäyttöjen staattinen kitkavoima
Jos kappale liikkuu, niin siihen pinnan sivulta vaikuttava kitkavoima ei katoa, tämän tyyppistä kitkaa kutsutaan ns. liukuva kitka. Mittaukset osoittavat, että liukukitkavoima on käytännössä yhtä suuri kuin staattisen kitkan maksimivoima (kuva 9).
Riisi. 9. Liukukitkavoima
Liukukitkavoima kohdistuu aina kehon nopeutta vastaan, eli se estää liikkeen. Näin ollen, kun kappale liikkuu vain kitkavoiman vaikutuksesta, se antaa sille negatiivista kiihtyvyyttä, eli kehon nopeus laskee jatkuvasti.
Liukukitkavoiman suuruus on myös verrannollinen normaalipaineen voimaan.
missä on liukukitkavoiman moduuli; N– tukireaktiovoima (normaalipaine); – liukukitkakerroin (suhteellisuus).
Kuvassa 10 on käyrä kitkavoiman riippuvuudesta kohdistetusta voimasta. Se näyttää kaksi eri aluetta. Ensimmäinen osa, jossa kitkavoima kasvaa kohdistetun voiman kasvaessa, vastaa staattista kitkaa. Toinen osa, jossa kitkavoima ei riipu ulkoisesta voimasta, vastaa liukukitkaa.
Riisi. 10. Käyrä kitkavoiman riippuvuudesta käytetystä voimasta
Liukukitkakerroin on suunnilleen sama kuin staattisen kitkakerroin. Tyypillisesti liukukitkakerroin on pienempi kuin yksikkö. Tämä tarkoittaa, että liukukitkavoima on pienempi kuin normaali painevoima.
Liukukitkakerroin on kahden toisiaan vasten hankaavan kappaleen ominaisuus, se riippuu siitä, mistä materiaaleista kappaleet on valmistettu ja kuinka hyvin pinnat on käsitelty (sileä tai karkea).
Staattisten ja liukuvien kitkavoimien alkuperä johtuu siitä, että mikään pinta mikroskooppisella tasolla ei ole tasainen, millä tahansa pinnalla on aina mikroskooppisia epähomogeenisuuksia (kuva 11).
Riisi. 11. Kappaleiden pinnat mikroskooppisella tasolla
Kun kaksi kosketuksessa olevaa kappaletta yritetään liikkua suhteessa toisiinsa, nämä epähomogeenisuudet jäävät koukkuun ja estävät tämän liikkeen. Pienellä määrällä kohdistettua voimaa tämä tartunta riittää estämään kappaleita liikkumasta, jolloin syntyy staattista kitkaa. Kun ulkoinen voima ylittää suurimman staattisen kitkan, ei karheuden tarttuminen riitä pitämään kappaleita, ja ne alkavat siirtyä suhteessa toisiinsa, kun taas liukukitkavoima vaikuttaa kappaleiden väliin.
Tämän tyyppistä kitkaa esiintyy, kun kappaleet pyörivät toistensa yli tai kun yksi kappale vierii toisen pinnalla. Vierintäkitka, kuten liukukitka, antaa kehoon negatiivisen kiihtyvyyden.
Vierintäkitkavoiman esiintyminen johtuu vierintäkappaleen ja tukipinnan muodonmuutoksesta. Joten vaakapinnalla oleva pyörä muuttaa jälkimmäistä muotoa. Pyörän liikkuessa muodonmuutokset eivät ehdi palautua, joten pyörän on kiivettävä koko ajan pientä mäkeä, mikä aiheuttaa vierimistä hidastavia voimia.
Riisi. 12. Vierintäkitkavoiman esiintyminen
Vierintäkitkavoiman suuruus on pääsääntöisesti monta kertaa pienempi kuin liukukitkavoima, kun kaikki muut asiat ovat samat. Tästä johtuen rullaus on yleinen liiketapa tekniikassa.
Kun kiinteä kappale liikkuu nesteessä tai kaasussa, siihen vaikuttaa väliaineen sivulta vastusvoima. Tämä voima kohdistuu kehon nopeutta vastaan ja hidastaa liikettä (kuva 13).
Vastusvoiman pääominaisuus on, että se esiintyy vain kehon ja sen ympäristön suhteellisessa liikkeessä. Toisin sanoen staattista kitkavoimaa nesteissä ja kaasuissa ei ole. Tämä johtaa siihen, että henkilö voi liikuttaa jopa raskasta proomua, joka on vedessä.
Riisi. 13. Kehoon vaikuttava vastusvoima sen liikkuessa nesteessä tai kaasussa
Vastusvoimamoduuli riippuu:
Rungon koosta ja sen geometrisesta muodosta (kuva 14);
Kehon pinnan olosuhteet (kuva 15);
Nesteen tai kaasun ominaisuudet (kuva 16);
Kehon ja sen ympäristön suhteellinen nopeus (kuva 17).
Riisi. 14. Vastusvoiman moduulin riippuvuudet geometrisesta muodosta
Riisi. 15. Vastusvoimamoduulin riippuvuudet kehon pinnan tilasta
Riisi. 16. Vastusvoimamoduulin riippuvuudet nesteen tai kaasun ominaisuuksista
Riisi. 17. Vastusvoimamoduulin riippuvuudet kappaleen ja sen ympäristön suhteellisesta nopeudesta
Kuvassa 18 on käyrä vastusvoiman riippuvuudesta kehon nopeudesta. Nollaa vastaavalla suhteellisella nopeudella vetovoima ei vaikuta kehoon. Suhteellisen nopeuden kasvaessa vastusvoima kasvaa ensin hitaasti ja sitten kasvunopeus kasvaa.
Riisi. 18. Kuvaaja vastusvoiman riippuvuudesta kehon nopeudesta
Suhteellisen nopeuden pienillä arvoilla vastusvoima on suoraan verrannollinen tämän nopeuden arvoon:
missä on suhteellisen nopeuden arvo; - vastuskerroin, joka riippuu viskoosin väliaineen tyypistä, rungon muodosta ja koosta.
Jos suhteellinen nopeus on riittävän suuri, vastusvoima tulee verrannollinen tämän nopeuden neliöön.
missä on suhteellisen nopeuden arvo; on ilmanvastuskerroin.
Kaavan valinta kullekin yksittäiselle tapaukselle määritetään empiirisesti.
600 g:n painoinen kappale liikkuu tasaisesti vaakasuoraa pintaa pitkin (kuva 19). Tällöin siihen kohdistetaan voima, jonka arvo on 1,2 N. Määritä kappaleen ja pinnan välisen kitkakertoimen arvo.
Kohde: vahvistaa kitkasta ja kitkatyypeistä saatua tietoa.
Edistyminen:
1.
Opiskele teoreettinen osa
2.
Täytä taulukko 1.
3.
Ratkaise tehtävä taulukon 2 vaihtoehdon mukaan.
4.
Vastaa turvakysymyksiin.
pöytä 1
taulukko 2
|
Luistelija ajaa tasaisella vaakasuoralla jääpinnalla inertialla 80 m. Määritä kitkavoima ja alkunopeus, jos luistelijan massa on 60 kg ja kitkakerroin 0,015 |
|
|
4,9 kg painava kappale on vaakatasossa. Mikä voima täytyy kohdistaa kehoon vaakasuunnassa, jotta se saa kiihtyvyyden 0,5 m / s 2 kitkakertoimella 0,1? |
|
|
500 g:n puupalikka lepää vaakasuoralla pöydällä, jonka saa liikkeelle 300 g:n paino, joka on ripustettu pöydän päähän kiinnitetyn lohkon yli heitetyn langan pystypäästä. Kitkakerroin tangon liikkeen aikana on 0,2. Millä kiihtyvyydellä lohko liikkuu? |
Kitkavoima on voima, joka esiintyy koskettavien kappaleiden pintojen välillä. Jos pintojen välillä ei ole voitelua, kitkaa kutsutaan kuivaksi. Kuivakitkavoima on suoraan verrannollinen pintoja toisiaan vasten puristavaan voimaan ja suuntautuu mahdollisen liikkeen vastakkaiseen suuntaan. Suhteellisuuskerrointa kutsutaan kitkakertoimeksi. Puristusvoima on kohtisuorassa pintaan nähden. Sitä kutsutaan normaaliksi tukireaktioksi.
Nesteiden ja kaasujen kitkan lait eroavat kuivakitkan laeista. Kitka nesteessä ja kaasussa riippuu liikkeen nopeudesta: pienillä nopeuksilla se on verrannollinen neliöön ja suurilla nopeuksilla se on verrannollinen nopeuden kuutioon.
Ratkaisukaavat:
Kun "k" on kitkakerroin, "N" on tuen normaali reaktio.
Newtonin toinen laki ja liikeyhtälöt vektorimuodossa. F = ma
Newtonin kolmannen lain mukaan N = - mg
ilmaisu nopeudelle
Liikeyhtälöt tasaisesti kiihdytetylle kinemaattiselle liikkeelle
; 0 - V = a t jossa 0 on loppunopeus V on alkunopeus
Algoritmi tyypillisen ongelman ratkaisemiseksi:
1. Kirjoita lyhyesti muistiin ongelman tila.
2. Kuvaamme tilan graafisesti mielivaltaisessa vertailukehyksessä osoittaen kehoon (pisteeseen) vaikuttavat voimat, mukaan lukien tuen normaalireaktio ja kitkavoima, kehon nopeus ja kiihtyvyys.
3. Korjaamme ja nimeämme vertailujärjestelmän kuvassa ottamalla käyttöön ajan origon ja määrittämällä voimien ja kiihtyvyyden koordinaattiakselit. On parempi suunnata yksi akseleista tuen normaalia reaktiota pitkin ja aloittaa ajan laskeminen sillä hetkellä, kun kappale (piste) on koordinaatin nollassa.
4. Kirjoitetaan vektorimuodossa Newtonin toinen laki ja liikeyhtälöt. Liike- ja nopeusyhtälöt ovat siirtymän (polun) ja nopeuden riippuvuuksia ajasta.
5. Kirjoitamme samoihin yhtälöihin skalaarimuodossa: projektioihin koordinaattiakseleille. Kirjoitamme muistiin kitkavoiman lausekkeen.
6. Ratkaisemme yhtälöt yleisessä muodossa.
7. Korvaa yleisen ratkaisun arvot, laske.
8. Kirjoita vastaus muistiin.
Teoreettinen osa
Kitka on kosketuksissa olevien kappaleiden vastus liikkeelle suhteessa toisiinsa. Kitka seuraa jokaista mekaanista liikettä, ja tällä seikalla on olennainen seuraus nykyaikaisessa teknisessä kehityksessä.
Kitkavoima on vastusvoima, joka vastustaa toisiinsa kosketuksissa olevien kappaleiden liikettä.Kitka selittyy kahdella syyllä: kappaleiden hankauspintojen karheudella ja niiden välisellä molekyylivuorovaikutuksella. Jos ylitämme mekaniikan rajat, on sanottava, että kitkavoimat ovat sähkömagneettista alkuperää, samoin kuin kimmovoimat. Kumpikin edellä mainituista kahdesta kitkan syystä eri tapauksissa ilmenee eri määrin. Esimerkiksi, jos kiinteiden hankauskappaleiden kosketuspinnoissa on merkittäviä epäsäännöllisyyksiä, niin tässä syntyvän kitkavoiman päätermi johtuu juuri tästä seikasta, ts. hankauskappaleiden pintojen epätasaisuudet, epätasaisuudet Toistensa suhteen kitkalla liikkuvien kappaleiden tulee koskettaa pintoja tai liikkua toistensa ympäristössä. Kappaleiden liikettä toisiinsa nähden ei saa syntyä kitkan vuoksi, jos käyttövoima on pienempi kuin suurin staattinen kitkavoima. Jos kiinteiden hankauskappaleiden kosketuspinnat ovat täydellisesti kiillotettuja ja sileitä, niin tässä tapauksessa syntyvän kitkavoiman päätermi määräytyy kappaleiden hankauspintojen välisen molekyylin adheesion mukaan.
Tarkastellaan yksityiskohtaisemmin liuku- ja lepokitkavoimien syntyprosessia kahden koskettavan kappaleen risteyksessä. Jos katsot kappaleiden pintoja mikroskoopilla, näet mikrokarheuksia, jotka kuvaamme suurennettuna (kuva 1, a) Tarkastellaan kosketuksissa olevien kappaleiden vuorovaikutusta yhden epäsäännöllisyyden parin esimerkillä ( harjanne ja kouru) (Kuva 3, b). Siinä tapauksessa, että liikettä ei yritä aiheuttaa voimaa, vuorovaikutuksen luonne molemmilla mikrokarheuksilla on samanlainen. Tässä vuorovaikutuksen luonteessa kaikki vuorovaikutusvoiman vaakasuuntaiset komponentit tasapainottavat toisiaan, ja kaikki pystysuorat summautuvat ja muodostavat voiman N (tukireaktio) (kuva 2, a).
Erilainen kuva kappaleiden vuorovaikutuksesta saadaan, kun voima alkaa vaikuttaa yhteen kappaleista. Tässä tapauksessa kosketuspisteet ovat pääasiassa kuvan vasemmalla puolella olevilla "rinteillä". Ensimmäinen keho painaa toista. Tämän paineen intensiteettiä kuvaa voima R. Toinen kappale vaikuttaa Newtonin kolmannen lain mukaisesti ensimmäiseen kappaleeseen, jonka voimakkuutta kuvaa voima R (tukireaktio). Voima R
voidaan hajottaa komponenteiksi: voimaksi N, joka on suunnattu kohtisuoraan kappaleiden kosketuspintaa vastaan, ja voimaksi Fsc, joka kohdistuu voiman F vaikutusta vastaan (kuva 2, b).
Kun on tarkasteltu kappaleiden vuorovaikutusta, on huomioitava kaksi seikkaa.
1) Kahden kappaleen vuorovaikutuksessa syntyy Newtonin kolmannen lain mukaisesti kaksi voimaa R ja R"; sen huomioimisen helpottamiseksi ongelmia ratkaistaessa jaamme voiman R komponenteiksi N ja Fsc (Ftr liikkeen tapauksessa).
2) Voimat N ja F Tp ovat luonteeltaan samanlaisia (sähkömagneettinen vuorovaikutus); se ei voisi olla toisin, koska nämä ovat saman voiman R komponentteja.
Nykytekniikassa liukukitkan korvaaminen vierintäkitkalla on erittäin tärkeää kitkavoimien haitallisten vaikutusten vähentämiseksi. Vierintäkitkavoima määritellään voimaksi, joka tarvitaan kappaleen tasaiseen suoraviivaiseen vierimiseen vaakatasossa. Kokemus on osoittanut, että vierintäkitkavoima lasketaan kaavalla:
jossa F on vierintäkitkavoima; k on vierintäkitkakerroin; P on vierintäkappaleen puristusvoima tukeen ja R on vierintäkappaleen säde.
Käytännön perusteella on selvää, kaavasta käy selvästi ilmi, että mitä suurempi vierintäkappale on, sitä vähemmän estettä tukipinnan epätasaisuus sille tekee.
Huomaa, että vierintäkitkakerroin, toisin kuin liukukitkakerroin, on nimetty arvo ja se ilmaistaan pituusyksiköissä - metreissä.
Liukukitka korvataan vierintäkitkalla, tarpeellisissa ja mahdollisissa tapauksissa vaihtamalla liukulaakerit vierintälaakereihin.
On ulkoista ja sisäistä kitkaa (muuten kutsutaan viskositeetiksi). Tämän tyyppistä kitkaa kutsutaan ulkoiseksi, jossa kiinteiden kappaleiden kosketuspisteissä syntyy voimia, jotka estävät kappaleiden keskinäistä liikettä ja kohdistuvat tangentiaalisesti niiden pintoihin.
Sisäkitka (viskositeetti) on eräänlainen kitka, joka koostuu siitä tosiasiasta, että keskinäinen siirtymä. Neste- tai kaasukerrosten välissä on tangentiaalisia voimia, jotka estävät tällaisen liikkeen.
Ulkoinen kitka jaetaan lepokitkaan (staattinen kitka) ja kinemaattinen kitka. Lepokitka syntyy kiinteiden kiinteiden kappaleiden välillä, kun jokin niistä yrittää liikkua. Toisiaan koskettavien liikkuvien jäykkien kappaleiden välillä on kinemaattista kitkaa. Kinemaattinen kitka puolestaan jakautuu liukukitkaan ja vierintäkitkaan.
Kitkavoimilla on tärkeä rooli ihmisen elämässä. Joissakin tapauksissa hän käyttää niitä ja toisissa taistelee niitä vastaan. Kitkavoimat ovat luonteeltaan sähkömagneettisia.
Kitkavoimatyypit.
Kitkavoimat ovat luonteeltaan sähkömagneettisia, ts. kitkavoimat perustuvat molekyylien sähköisiin vuorovaikutusvoimiin. Ne riippuvat kappaleiden liikkumisnopeudesta suhteessa toisiinsa.
Kitkaa on 2 tyyppiä: kuiva ja nestemäinen.
1. Nestekitka on voima, joka syntyy, kun kiinteä kappale liikkuu nesteessä tai kaasussa tai kun yksi nestekerros (kaasu) liikkuu suhteessa toiseen ja hidastaa tätä liikettä.
Nesteissä ja kaasuissa ei ole staattista kitkavoimaa.
Pienillä nopeuksilla nesteessä (kaasussa):
Ftr = k1v,
jossa k1 on ilmanvastuskerroin, riippuen rungon muodosta, koosta ja väliaineen valosta. Kokemuksesta päätetty.
Suurilla nopeuksilla:
Ftr = k2v,
missä k2 on ilmanvastuskerroin.
2. Kuivakitka on voima, joka syntyy kappaleiden suorasta kosketuksesta, ja se kohdistuu aina sähkömagneettisten kappaleiden kosketuspintoja pitkin juuri molekyylisidoksia katkaisemalla.
Lepon kitka.
Harkitse tangon vuorovaikutusta pöydän pinnan kanssa Koskettavien kappaleiden pinta ei ole ehdottoman tasainen Suurin vetovoima esiintyy aineiden atomien välillä, jotka ovat vähimmäisetäisyydellä toisistaan, eli mikroskooppisilla ulkonemat. Kosketuksissa olevien kappaleiden atomien kokonaisvetovoima on niin merkittävä, että tankoon kohdistuvan ulkoisen voiman vaikutuksesta samansuuntaisesti sen pinnan kanssa, joka koskettaa sen pöytää, tanko pysyy levossa. Tämä tarkoittaa, että tankoon vaikuttava voima on absoluuttisesti sama kuin ulkoinen voima, mutta vastakkaiseen suuntaan. Tämä voima on staattinen kitkavoima.Kun kohdistettu voima saavuttaa suurimman kriittisen arvon, joka riittää katkaisemaan ulkonemien väliset sidokset, tanko alkaa liukua pöydällä. Suurin staattinen kitkavoima ei riipu pinnan kosketuspinta-alasta, vaan Newtonin kolmannen lain mukaan normaalipainevoima on absoluuttisesti sama kuin tukireaktiovoima N.
Suurin staattinen kitkavoima on verrannollinen normaalipaineen voimaan: 
missä μ on staattinen kitkakerroin.
Staattinen kitkakerroin riippuu pintakäsittelyn luonteesta ja materiaalien yhdistelmästä, joka muodostaa kosketuskappaleet. Tasaisten kosketuspintojen korkealaatuinen käsittely johtaa houkutettujen atomien määrän kasvuun ja vastaavasti staattisen kitkakertoimen kasvuun.
Staattisen kitkavoiman maksimiarvo on verrannollinen kappaleen alustaan kohdistaman paineen voimamoduuliin F d.
Staattisen kitkakertoimen arvo voidaan määrittää seuraavasti. Anna rungon (tasainen tanko) olla kaltevassa tasossa AB (kuva 3). Siihen vaikuttaa kolme voimaa: painovoima F, staattinen kitkavoima Fp ja tukireaktiovoima N. Painovoiman normaalikomponentti Fp on kehon tuella tuottama painevoima Fd, ts.
FН = Fд. Painovoiman tangentiaalinen komponentti Ft on voima, joka pyrkii liikuttamaan kehoa kaltevassa tasossa.
Pienillä kaltevuuskulmilla a voima Ft tasapainotetaan staattisen kitkavoiman Fp avulla ja kappale on levossa kaltevalla tasolla (Newtonin kolmannen lain mukainen tukireaktiovoima N on suuruudeltaan yhtä suuri ja vastakkainen voiman kanssa Fd, eli se tasapainottaa sen).
Lisäämme kaltevuuskulmaa a, kunnes runko alkaa liukua alas kaltevaa tasoa pitkin. Tässä hetkessä
Fт=FпmaxFrom Fig. 3 osoittaa, että Ft = Fsin = mgsin; Fn \u003d Fcos \u003d mgcos.
saamme
fн=sin/cos=tg.
Kun on mitattu kulma, jossa kappaleen liukuminen alkaa, on mahdollista laskea staattisen kitkakertoimen fp arvo kaavalla.
Riisi. 3. Lepon kitka.
liukuva kitka
Liukukitka syntyy, kun kosketuksissa olevien kappaleiden suhteellinen liike liikkuu.
Liukukitkavoima suunnataan aina vastakkaiseen suuntaan kosketuksissa olevien kappaleiden suhteelliseen nopeuteen nähden.
Kun yksi kappale alkaa liukua toisen kappaleen pinnalla, alun perin liikkumattomien kappaleiden atomien (molekyylien) väliset sidokset katkeavat ja kitka vähenee. Kappaleiden suhteellisessa liikkeessä atomien välille muodostuu jatkuvasti uusia sidoksia. Tässä tapauksessa liukukitkavoima pysyy vakiona, hieman pienempänä kuin staattinen kitkavoima. Kuten suurin staattinen kitkavoima, liukukitkavoima on verrannollinen normaalipainevoimaan ja siten tukireaktiovoimaan:
, missä on liukukitkakerroin () kosketuspintojen ominaisuuksien mukaan.
Riisi. 3. Liukukitka
testikysymykset
- Mikä on ulkoinen ja sisäinen kitka?
- Millainen kitka on staattinen kitka?
- mitä on kuiva- ja nestekitka?
- Mikä on suurin staattinen kitkavoima?
- Kuinka määrittää staattisen kitkakertoimen arvo?
Laitetaanpa kokemuksia
Työnnetään pöydällä makaavaa lohkoa antaen sille alkunopeutta. Näemme, että tanko liukuu pöydällä ja sen nopeus laskee täydelliseen pysähtymiseen (Kuva 17.1 näyttää tangon peräkkäiset asennot säännöllisin väliajoin). Kuten jo peruskoulun fysiikan kurssilta tiedät, siihen pöydän sivulta vaikuttava liukukitkavoima hidastaa tangoa.
Liukukitkavoimat vaikuttavat jokaiseen kosketuskappaleeseen, kun ne liikkuvat suhteessa toisiinsa.
Nämä voimat vaikuttavat jokaiseen kosketuskappaleeseen (kuva 17.2). Ne ovat absoluuttisesti samanarvoisia ja suunnaltaan vastakkaisia, koska niitä yhdistää Newtonin kolmas laki. 
Lohkon liukuessa pöydällä emme huomaa pöytään tangon sivulta vaikuttavaa liukukitkavoimaa, koska pöytä on kiinnitetty lattiaan (tai pöytään vaikuttaa lattiasta melko suuri staattinen kitkavoima , josta keskustellaan myöhemmin).
Jos työnnät kärryssä makaavaa tankoa, niin kärryyn tangon sivulta vaikuttavan liukukitkavoiman vaikutuksesta kärry liikkuu kiihtyvällä vauhdilla ja tangon nopeus kärryyn nähden laskee.
1. Kuinka monta kertaa tangon kiihtyvyys suhteessa pöytään tässä kokeessa on suurempi kuin kärryn kiihtyvyys suhteessa pöytään, jos tangon massa on 200 g ja kärryn massa on 600 g? Kärryn ja pöydän välinen kitka voidaan jättää huomiotta.
Liukukitkavoimat suuntautuvat kappaleiden kosketuspintaa pitkin. Kuhunkin kappaleeseen vaikuttava kitkavoima on suunnattu vastapäätä tämän kappaleen nopeutta suhteessa toiseen kappaleeseen.
Liukukitkavoimat johtuvat pääasiassa kosketuskappaleiden epätasaisuuksien tarttumisesta ja tuhoutumisesta (nämä epäsäännöllisyydet on liioiteltu kuvassa 17.3 selvyyden vuoksi). Siksi yleensä mitä tasaisempia kappaleiden pinnat ovat kosketuksissa, sitä pienempi on kitkavoima niiden välillä. 
Kuitenkin, jos kosketuspinnat tehdään erittäin sileiksi (esimerkiksi jos ne on kiillotettu), liukukitkavoima voi kasvaa molekyylien välisten vetovoimien vaikutuksesta.
Selvitetään, mistä liukukitkavoima riippuu.
Mistä liukukitkavoima riippuu?
Laitetaanpa kokemuksia
Vedämme dynamometrillä tankoa pöytää pitkin vakionopeudella (kuva 17.4, a) kohdistaen siihen vaakasuoraan suunnattua voimaa esim. 
Vakionopeudella ajettaessa lohkon kiihtyvyys on nolla. Näin ollen tankoon pöydän sivulta vaikuttava liukukitkavoima tasapainotetaan tankoon dynamometrin puolelta vaikuttavalla kimmovoimalla. Tämä tarkoittaa, että nämä voimat ovat absoluuttisesti samat, eli dynamometri näyttää kitkavoiman moduulin.
Toistetaan koe asettamalla tangon päälle toinen samanlainen tanko (kuva 17.4, b). Näemme, että liukukitkavoima on kaksinkertaistunut. Huomaamme nyt, että tässä kokeessa (verrattuna yhden tangon kokeeseen) normaalin reaktion voima kaksinkertaistui.
Normaalia reaktiovoimaa muuttamalla voidaan varmistaa, että liukukitkavoiman Ftr moduuli on verrannollinen normaalin reaktiovoiman moduuliin N:
F tr.sk \u003d μN. (yksi)
Kuten kokemus osoittaa, liukukitkavoima ei käytännössä riipu koskettavien kappaleiden suhteellisesta liikenopeudesta ja niiden kosketusalueesta.
Suhteellisuuskerrointa μ kutsutaan kitkakertoimeksi. Se on määritetty kokemuksen perusteella (katso laboratorio 4). Se riippuu materiaalista ja kosketuspintojen käsittelyn laadusta. Ongelmakirjan kärpäslehdellä (kannen alla) on annettu likimääräiset kitkakertoimen arvot tietyille pinnoille.
Renkaiden kitkakerroin märällä asfaltilla tai jäällä on useita ruusuja pienempi kuin renkaiden kitkakerroin kuivalla asfaltilla. Siksi auton jarrutusmatka pitenee merkittävästi sateen tai jään aikana. Liikennemerkki varoittaa kuljettajaa liukkaasta tiestä (kuva 17.5). 
2. Kappale, jonka massa on m, liikkuu vaakasuoraa pintaa pitkin. Rungon ja pinnan välinen kitkakerroin μ.
a) Mikä on liukukitkavoima?
b) Millä kiihtyvyyskertoimella kappale liikkuu, jos siihen vaikuttavat vain painovoima, normaalireaktiovoima ja liukukitkavoima?
3. Pöydällä makaavalle lohkolle annettiin nopeus 2 m/s ja se pysähtyi 1 m (pysähdysmatka). Mikä on tangon ja pöydän välinen kitkakerroin?
4. Voidaan likimäärin olettaa, että liukukitkavoima vaikuttaa autoon jarrutuksen aikana. Arvioi auton jarrutusmatka kuivalla päällysteellä ja jäällä alkunopeudella 60 km/h; 120 km/h Vertaa löydettyjä arvoja luokkahuoneen pituuteen.
Saatamasi vastaukset yllättävät sinut. Todennäköisesti olet varovaisempi tiellä sateen ja erityisesti jään aikana.
2. Staattisen kitkan voima
Laitetaanpa kokemuksia
Yritä siirtää kaappia (kuva 17.6). Se pysyy paikallaan, vaikka käyttäisit siihen melko paljon voimaa.
Mikä voima tasapainottaa vaakasuoraan suunnattua voimaa, jonka kohdistat kaappiin? Tämä on staattinen kitkavoima, joka vaikuttaa kaappiin lattian sivulta. 
Staattiset kitkavoimat syntyvät, kun yrität liikuttaa toista koskettavasta kappaleesta toiseen nähden, jos kappaleet pysyvät levossa suhteessa toisiinsa. Nämä voimat estävät kappaleiden suhteellisen liikkeen.
5. Vaikuttaako staattinen kitkavoima lattiaan kaapin sivulta (kuva 17.6)?
Staattisen kitkavoiman syyt ovat samanlaiset kuin liukukitkavoiman syyt: epäsäännöllisyydet kappaleiden kosketuspinnoilla ja molekyylien välisten vetovoimien toiminta.
Lisäämme vähitellen kaappiin kohdistuvaa vaakasuuntaista voimaa. Tietyn arvon saavuttaessa kaappi liikkuu ja alkaa liukua lattialla. Näin ollen staattisen kitkavoiman Ftr.pok moduuli ei ylitä tiettyä raja-arvoa, jota kutsutaan suurimmaksi staattiseksi kitkavoimaksi.
Kokemus osoittaa, että suurin staattinen kitkavoima on hieman suurempi kuin liukukitkavoima. Koulun ongelmien ratkaisun yksinkertaistamiseksi oletetaan kuitenkin, että suurin staattinen kitkavoima on yhtä suuri kuin liukukitkavoima:
F tr.pok ≤ μN. (2)
Jos keho on levossa, staattinen kitkavoima tr.pok tasapainottaa kappaleiden kosketuspintaa pitkin suuntautuvaa voimaa, joka pyrkii liikuttamaan kehoa.
Siksi tässä tapauksessa
F tr.pok = F. (3)
Huomaa: staattinen kitkavoima tyydyttää kaksi suhdetta - epätasa-arvo (4) ja tasa-arvo (5). Niistä seuraa eriarvoisuus voimalle, joka ei voi liikuttaa kehoa:
Jos F > μN, keho alkaa liukua ja liukuvat kitkarasvat vaikuttavat siihen. Tässä tapauksessa
F tr \u003d F tr.sk \u003d μN.
Suhteet (3) ja (5) on havainnollistettu kaaviolla kitkavoiman Ftr riippuvuudesta runkoon kohdistuvasta voimasta F (kuva 17.7). 
6. Pöydällä makaavaan tankoon, jonka massa on 1 kg, kohdistetaan vaakasuora voima, jonka suuruus on F. Tangon ja pöydän välinen kitkakerroin on 0,3. Mikä on kitkavoima, joka vaikuttaa tankoon pöydän sivulta, jos F = 2 N? F = 5 N?
7. Traktori vetää vaakasuunnassa 10 tonnia painavaa puukimppua 40 kN:n voimalla. Mikä on nipun kiihtyvyys, jos hirsien ja tien välinen kitkakerroin on 0,3? 0,5?
8. Pöydällä olevaa tankoa, jonka massa on 1 kg, vetää vaakasuora jousi, jonka jäykkyys on 100 N/m. Kitkakerroin 0,3. Mikä on jousen venymä x, jos tanko on levossa? liikkuu 0,5 m/s nopeudella?
Voiko kitka olla liikkeellepaneva voima?
Askeleen ottaessaan ihminen työntää tietä taaksepäin vaikuttaen siihen staattisen kitkan voimalla mp1: pohja lepää työntämisen aikana tien suhteen (tämän osoittaa joskus selkeä pohjan jälki) (kuva 17.8, a). Newtonin kolmannen lain mukaan tien puolelta ihmiseen vaikuttaa sama moduulin staattinen kitkavoima tr2 eteenpäin suunnatulla tavalla. 
Myös staattinen kitkavoima kiihdyttää autoa (kuva 17.8, b). Kun pyörä rullaa luistamatta, sen alin kohta on levossa suhteessa tiehen. Auton vetopyörä (moottorin ohjaama) työntää tietä taaksepäin vaikuttaen siihen staattisella kitkavoimalla mp1. Newtonin kolmannen lain mukaan tie, jossa on atomi, työntää pyörää (ja sen mukana autoa) eteenpäin staattisen kitkavoiman mp2 vaikutuksesta. Tätä voimaa kutsutaan usein vetovoimaksi.
9. Mitä tarkoitusta on tehdä vetureista (sähkö- ja dieselvetureista) erittäin massiivisia?
10. Auton vetävien pyörien renkaiden ja tien välinen kitkakerroin on 0,5. Oletetaan, että ilmanvastus voidaan jättää huomiotta.
a) Millä suurimmalla mahdollisella kiihtyvyydellä auto voi liikkua, jos sen kaikki pyörät pyörivät?
b) Lisääntyiskö vai pienentyisikö auton suurin mahdollinen kiihtyvyys, jos ajettaisiin vain etu- vai takapyörät? Perustele vastauksesi.
Vihjeitä. Auton kiihtyvyys johtuu staattisen kitkavoiman vaikutuksesta tien sivulta. 
Lisäkysymyksiä ja tehtäviä
11. Kuva 17.9 esittää kaavioita liukukitkavoiman riippuvuudesta normaalista reaktiovoimasta liikutettaessa kolmea erilaista tankoa pöydällä. Minkä tangon ja pöydän välissä kitkakerroin on suurin? Mihin se vastaa?
12. Pöydällä on pino neljästä samanlaisesta kirjasta, kukin 500 g painava (kuva 17.10). Kirjankansien välinen kitkakerroin on 0,4. Mitä vaakasuoraan suunnattua voimaa on käytettävä jäljellä olevien kirjojen säilyttämiseksi:
a) Siirrä kirja 4?
b) siirtää kirjat 3 ja 4 yhteen?
c) vedä esiin kirja 3?
d) vedä esille kirja 2?
