FRECARE: TIPURI, COEFICIENT, CALCUL, EXERCIȚII - FIZIC - 2025

Frecarea este rezistența la mișcarea unei suprafețe fiind în contact cu o alta. Este un fenomen de suprafață care apare între materialele solide, lichide și gazoase. Forța de rezistență tangențială la două suprafețe aflate în contact, care se opune direcției deplasării relative între suprafețele menționate, se mai numește forță de frecare sau forță de frecare F _r .

Pentru a deplasa un corp solid pe o suprafață, trebuie aplicată o forță externă care poate depăși frecarea. Când corpul se mișcă, forța de frecare acționează asupra corpului, încetinind-o și chiar o poate opri.

Frecare

Forța de frecare poate fi reprezentată grafic de diagrama de forțe a unui corp în contact cu o suprafață. În această diagramă, forța de frecare F _r este desenată opusă componentei forței aplicate pe corpul tangențial la suprafață.

Suprafața de contact exercită o forță de reacție asupra corpului numită forța normală N. În unele cazuri, forța normală se datorează numai greutății P a corpului care se sprijină pe suprafață, iar în alte cazuri, se datorează forțelor aplicate, altele decât forței gravitației.

Frecarea apare deoarece există rugozități microscopice între suprafețele aflate în contact. Când încercați să mutați o suprafață peste cealaltă, frecarea apare între rugozitățile care împiedică mișcarea liberă la interfață. La rândul său, pierderile de energie apar sub formă de căldură care nu este folosită pentru a mișca corpul.

Tipuri de frecare

Există două tipuri principale de frecare: fricțiunea Coulomb sau frecarea uscată și frecarea fluidelor.

-Fregularea frământării

Fricțiunea Coulomb se opune întotdeauna mișcării corpurilor și este împărțită în două tipuri de frecare: frecare statică și frecare cinetică (sau dinamică).

În frecare statică nu există nicio mișcare a corpului la suprafață. Forța aplicată este foarte scăzută și nu este suficientă pentru a depăși forța de frecare. Frecarea are o valoare maximă care este proporțională cu forța normală și se numește forța de frecare statică F _re .

Forța frecării statice este definită ca forța maximă care rezistă la începutul mișcării corpului. Când forța aplicată depășește forța statică de frecare, aceasta rămâne la valoarea maximă.

Fricțiunea cinetică acționează atunci când corpul este deja în mișcare. Forța necesară pentru a menține corpul în mișcare cu frecare se numește forța de frecare cinetică F _rc .

Forța de frecare cinetică este mai mică sau egală cu forța statică de frecare, deoarece odată ce corpul începe să se miște, este mai ușor să continuați în mișcare decât să încercați să faceți acest lucru în repaus.

Legile frecării lui Coulomb

1. Forța de frecare este direct proporțională cu forța normală cu suprafața de contact. Constanța proporționalității este coeficientul de frecare μ care există între suprafețele aflate în contact.
2. Forța de frecare este independentă de dimensiunea zonei de contact aparente între suprafețe.
3. Forța de frecare cinetică este independentă de viteza de alunecare a corpului.

-Fricțiuni fluide

Fricțiunea apare și atunci când corpurile se mișcă în contact cu materiale lichide sau gazoase. Acest tip de frecare se numește frecare fluid și este definit ca rezistența la mișcarea corpurilor în contact cu un fluid.

Fricțiunea de fluid se referă, de asemenea, la rezistența unui fluid să curgă în contact cu straturi de fluid din același material sau un material diferit și este dependentă de viteza și vâscozitatea fluidului. Vâscozitatea este măsura rezistenței la mișcare a unui fluid.

-Stochează frecarea

Fricțiunea Stokes este un tip de frecare a fluidului în care particulele sferice cufundate într-un fluid vâscos, în fluxul laminar, experimentează o forță de frecare care încetinește mișcarea lor datorită fluctuațiilor moleculelor fluidului.

Stochează frecarea

Fluxul este laminar atunci când forțele vâscoase, care se opun mișcării fluidului, sunt mai mari decât forțele inerțiale, iar fluidul se mișcă cu o viteză suficient de mică și pe o cale rectilinie.

Coeficienții de frecare

Conform primei legi a frecvenței lui Coulomb, coeficientul de frecare μ este obținut din relația dintre forța de frecare și forța normală cu suprafața de contact.

Coeficientul μ este o cantitate fără dimensiuni, deoarece este o relație între două forțe, care depinde de natura și tratamentul materialelor în contact. În general, valoarea coeficientului de frecare este cuprinsă între 0 și 1.

Coeficientul de frecare statică

Coeficientul de frecare statică este constanta de proporționalitate care există între forța care împiedică mișcarea unui corp în stare de repaus pe o suprafață de contact și forța normală la suprafață.

Coeficientul de frecare cinetic

Coeficientul de frecare cinetică este constanta de proporționalitate care există între forța care restricționează mișcarea unui corp care se deplasează pe o suprafață și forța normală la suprafață.

Coeficientul de frecare statică este mai mare decât coeficientul de frecare cinetică.

Coeficient de frecare elastic

Coeficientul elastic de frecare este derivat din frecarea dintre suprafețele de contact ale materialelor elastice, moi sau brute, care sunt deformate de forțele aplicate. Frecarea se opune mișcării relative între două suprafețe elastice, iar deplasarea este însoțită de o deformare elastică a straturilor de suprafață ale materialului.

Coeficientul de frecare obținut în aceste condiții depinde de gradul de rugozitate a suprafeței, de proprietățile fizice ale materialelor în contact și de mărimea componentei tangențiale a forței de forfecare la interfața materialelor.

Coeficient de frecare moleculară

Coeficientul de frecare moleculară este obținut din forța care restricționează mișcarea unei particule care alunecă pe o suprafață netedă sau printr-un fluid.

Cum se calculează frecarea?

Forța de frecare pe interfețele solide se calculează folosind ecuația F _r = μN

Înlocuirea ecuației de greutate în ecuația forței de frecare dă:

Caracteristicile normalului

Când un obiect este în repaus pe o suprafață plană, forța normală este cea exercitată de suprafața de pe corp și se opune forței datorate gravitației, conform legii de acțiune și reacție a lui Newton.

Forța normală acționează întotdeauna perpendicular pe suprafață. Pe o suprafață înclinată, normalul scade pe măsură ce unghiul slab crește și se orientează într-o direcție perpendiculară departe de suprafață, în timp ce greutatea se orientează vertical în jos. Ecuația forței normale pe o suprafață înclinată este:

θ = unghiul de înclinare a suprafeței de contact.

Frecare plan inclinat

Componenta forței care acționează asupra corpului pentru alunecare este:

Pe măsură ce forța aplicată crește, se apropie de valoarea maximă a forței de frecare, această valoare este cea corespunzătoare forței statice de frecare. Când F = F _re , forța statică de frecare este:

Și coeficientul de frecare statică este obținut prin tangenta unghiului de înclinare θ.

Exerciții rezolvate

-Forța de frecare a unui obiect care se sprijină pe o suprafață orizontală

O cutie de 15 Kg plasată pe o suprafață orizontală este împinsă de o persoană care aplică o forță de 50 Newton de-a lungul unei suprafețe pentru a o face să se miște și apoi aplică o forță de 25 N pentru a menține cutia în mișcare la o viteză constantă. Determinați coeficienții de frecare statică și cinetică.

Cutie care se deplasează pe suprafața orizontală

Soluție: Cu valoarea forței aplicate pentru a muta cutia, _{se obține} coeficientul de frecare statică μ _e .

Forța normală N la suprafață este egală cu greutatea cutiei, deci N = mg

În acest caz, μ _e = 50Nou / 147Nou

Forța aplicată pentru a menține viteza constantă a cutiei este forța de frecare cinetică care este egală cu 25Nou.

Coeficientul de frecare cinetică este obținut cu ecuația μ _c = F _rc / N

-Forța de fricție a unui obiect sub acțiunea unei forțe cu un unghi de înclinare

Un bărbat aplică o forță pe o cutie de 20 kg, cu un unghi de aplicare de 30 ° în raport cu suprafața în care se sprijină. Care este magnitudinea forței aplicate pentru a muta cutia dacă coeficientul de frecare dintre cutie și suprafață este 0,5?

Soluție: diagrama corpului liber reprezintă forța aplicată și componentele sale verticale și orizontale.

Diagrama corpului liber

Forța aplicată face un unghi de 30 ° cu suprafața orizontală. Componenta verticală a forței se adaugă forței normale care afectează forța frecării statice. Cutia se mișcă atunci când componenta orizontală a forței aplicate depășește valoarea maximă a forței de frecare F _re . Asocierea componentei orizontale a forței cu cea a frecării statice oferă:

putere normala

Forța normală nu mai este greutatea corpului datorită componentei verticale a forței.

Conform celei de-a doua legi a lui Newton, suma forțelor care acționează pe caseta de pe axa verticală este zero, deci componenta verticală a accelerației este a _y = 0. Forța normală se obține din sumă

Prin substituția ecuației în ecuație, se obțin următoarele:

-Fricția într-un vehicul în mișcare

Un vehicul de 1,5 tone circulă pe un drum drept și orizontal cu o viteză de 70 km / h. Șoferul vede obstacole pe drum la o anumită distanță care îl obligă să frâneze brusc. După frânare, vehiculul alunecă pentru o perioadă scurtă de timp până când se oprește. Dacă coeficientul de frecare dintre anvelope și drum este 0,7; determinați următoarele:

1. Care este valoarea frecării în timp ce vehiculul derapă?
2. Decelerarea vehiculului
3. Distanța parcursă de vehicul de când frânează până când se oprește.

Forța de frecare a vehiculului atunci când el alunecă este:

= 10290 Nou

Secțiunea b

Forța de frecare influențează încetinirea vehiculului atunci când acesta alunecă.

Prin aplicarea celei de-a doua legi a lui Newton, valoarea decelerației este obținută prin rezolvarea ecuației F = ma

Secțiunea c

Viteza inițială a vehiculului este v ₀ = 70Km / h = 19,44m / s

Când vehiculul își oprește viteza finală este v _f = 0 și decelerația este a = - 6,86m / s ²

Distanța parcursă de vehicul, de când frânează până când se oprește, se obține prin rezolvarea pentru d din următoarea ecuație:

Vehiculul parcurge 27,54m distanță înainte de oprire.

1. Calcule ale coeficientului de frecare în condiții de contact elastic. Mikhin, N M. 2, 1968, Știința materialelor sovietice, vol. 4, pp. 149-152.
2. Blau, P J. Fricție Știință și Tehnologie. Florida, SUA: CRC Press, 2009.
3. Relația dintre forțele de aderență și de frecare. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung și Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, pp. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force și mișcare. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Principii și aplicații ale tribologiei. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, CS și Purohit, K. Teoria mecanismelor și a mașinilor. New Delhi: Sala Prentice din India, 2006.