La fricció és una força que resisteix el moviment relatiu i es produeix a la interfície entre els cossos, però també dins dels cossos, com en el cas dels fluids. El concepte de coeficient de fricció va ser formulat per primera vegada per Leonardo da Vinci. La magnitud del coeficient de fricció ve determinada per les propietats de les superfícies, l'entorn, les característiques de la superfície, la presència del lubricant, etc.

Lleis de la fricció

Hi ha cinc lleis de fricció i són:

• El fregament de l'objecte en moviment és proporcional i perpendicular a la força normal.

• La fricció que experimenta l'objecte depèn de la naturalesa de la superfície amb la qual està en contacte.

• La fricció és independent de la zona de contacte sempre que hi hagi una zona de contacte.

• La fricció cinètica és independent de la velocitat.

• El coeficient de fregament estàtic és més gran que el coeficient de fregament cinètic.

Quan veiem qualsevol objecte, podem veure la superfície llisa, però quan el mateix objecte es veu amb un microscopi, es pot veure que fins i tot l'objecte que apareix llisa té vores aspres. Es poden veure petits turons i solcs a través del microscopi, i es coneixen com a irregularitats de la superfície. Així, quan un objecte es mou sobre l'altre, aquestes irregularitats a la superfície s'entrellacen donant lloc a la fricció. Més rugositat, més irregularitats i major serà la força aplicada.

Fricció estàtica

Hi ha diverses teories sobre les causes de la fricció estàtica, i com la majoria dels conceptes relacionats amb la fricció, cadascuna resulta vàlida en algunes condicions, però falla en altres circumstàncies. Per a aplicacions del món real (especialment les relacionades amb maquinària industrial i moviment). Controlar les dues teories més acceptades darrere de la fricció estàtica tenen a veure amb la rugositat microscòpica de les superfícies.

Independentment de la perfecció de la mecanització, l'acabat i la neteja d'una superfície, inevitablement tindrà asperitats, bàsicament rugositat, que consisteix en cims i valls, com una serralada. (Tècnicament, els pics són les asperitats.) Quan dues superfícies estan en contacte, pot semblar que tenen una gran àrea de contacte ben definida, però en realitat, el contacte només es produeix en determinats llocs, és a dir, on les asperitats de ambdues superfícies interfereixen.

La suma d'aquestes petites àrees de contacte entre les asperitats s'anomena àrea de contacte real o efectiva. Com que aquestes àrees individuals de contacte són molt petites, la pressió (pressió = força ÷ àrea) entre les superfícies en aquests punts és molt alta. Aquesta pressió extrema permet que es produeixi l'adhesió entre les superfícies, mitjançant un procés conegut com a soldadura en fred, que es produeix a nivell molecular. Abans que les superfícies es puguin moure entre si, s'han de trencar els enllaços que provoquen aquesta adhesió.

A més, la rugositat de les superfícies significa que en alguns llocs, les asperitats d'una superfície s'instal·laran a les valls de l'altra superfície, és a dir, les superfícies s'entrellaçaran.

Aquestes àrees entrellaçades s'han de trencar o deformar plàsticament abans que les superfícies es puguin moure. En altres paraules, s'ha de produir l'abrasió. Així, en la majoria d'aplicacions, la fricció estàtica és causada tant per l'adhesió com per l'abrasió de les superfícies de contacte.

Lleis de la fricció estàtica

Hi ha dues lleis de la fricció estàtica:

1. Primera llei: La força màxima de fricció estàtica no depèn de l'àrea de contacte.
2. Segona llei: La força màxima de fricció estàtica és comparada a la força normal, és a dir, si la força normal augmenta, la força externa màxima que l'objecte pot suportar sense moure's també augmenta.

Derivació de la fórmula de la fricció estàtica

Considerem un bloc de pes mg estirat sobre una superfície horitzontal tal com es mostra a la figura. Quan un cos pressiona contra una superfície, la superfície es deforma encara que sembli rígida. La superfície deformada empeny el cos amb una força normal R que és perpendicular a la superfície. Això s'anomena força de reacció normal. Equilibra mg és a dir

R = mg

Considerem ara que s'aplica una força P al bloc. És evident que el cos roman en repòs perquè una altra força F entra en joc en la direcció horitzontal i s'oposa a la força aplicada P que resulta en una força neta zero sobre el cos. Aquesta força F que actua al llarg de la superfície del cos en contacte amb la superfície de la taula s'anomena força de fricció.

Així, mentre el cos no es mogui F = P. Això vol dir que si augmentem P, la fricció F també augmenta, quedant sempre igual a P.

Aquesta força de fricció que entra en joc fins que s'inicia el moviment real es coneix com a fricció estàtica.

Coeficient de fricció estàtica

La fricció estàtica és la fricció que s'experimenta quan un objecte es col·loca sobre una superfície. I, la fricció cinètica es deu al moviment d'un objecte sobre una superfície. La fricció es caracteritza bé pel coeficient de fricció i s'explica com la relació entre la força de fricció i la força normal. Això ajuda a que l'objecte estigui sobre una superfície. El coeficient de fricció estàtica és una magnitud escalar i es denota com a μ_s.

La fórmula del coeficient de fricció estàtica s'expressa com

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

On

m _s = coeficient de fregament estàtic

F = força de fricció estàtica

N = força normal

Fricció cinètica

La fricció cinètica es defineix com una força que actua entre superfícies en moviment. Un cos que es mou a la superfície experimenta una força en sentit contrari al seu moviment. La magnitud de la força dependrà del coeficient de fregament cinètic entre els dos materials.

La fricció es defineix fàcilment com la força que reté un objecte lliscant. La fricció cinètica forma part de tot i interfereix en el moviment de dos o més objectes. La força actua en sentit contrari a la manera en què un objecte vol lliscar.

Si un cotxe s'ha d'aturar, posem frens i és just allà on entra en joc la fricció. Mentre camina, quan un vol aturar-se de sobte, la fricció és tornar a agrair. Però quan hem d'aturar-nos enmig d'un bassal, les coses es tornen més difícils, ja que la fricció és menys allà i no pot ajudar tant.

La superació de la fricció estàtica entre dues superfícies elimina essencialment tant els obstacles moleculars (soldadura en fred entre asperitats) com, fins a cert punt, els obstacles mecànics (interferència entre les asperitats i les valls de les superfícies) al moviment. Un cop s'inicia el moviment, continua produint-se una mica d'abrasió, però a un nivell molt més baix que durant la fricció estàtica i la velocitat relativa entre les superfícies proporciona temps insuficient perquè es produeixi una soldadura en fred addicional (excepte en el cas de velocitat extremadament baixa).

Amb la superació de la major part de l'adhesió i l'abrasió per induir el moviment, la resistència al moviment entre les superfícies es redueix i les superfícies es mouen ara sota la influència de la fricció cinètica, que és molt inferior a la fricció estàtica.

Lleis de la fricció cinètica

Hi ha quatre lleis de fregament cinètic:

1. Primera llei: La força de fricció cinètica (F_k) és directament proporcional a la reacció normal (N) entre dues superfícies en contacte. On, m _k = constant anomenada coeficient de fricció cinètica.
2. Segona llei: La força de fricció cinètica és independent de la forma i l'àrea aparent de les superfícies en contacte.
3. Tercera llei: Depèn de la naturalesa i el material de la superfície en contacte.
4. Quarta llei: És independent de la velocitat de l'objecte en contacte sempre que la velocitat relativa entre l'objecte i la superfície no sigui massa gran.

Fórmula de fricció cinètica

El coeficient de fricció cinètica es denota amb la lletra grega mu ( m ), amb un subíndex k. La força de fricció cinètica és m _k vegades la força normal sobre un cos. S'expressa en Newton (N).

L'equació de fricció cinètica es pot escriure com:

Força de fregament cinètic = (coeficient de fregament cinètic) (força normal)

F _k = m _k h

On,

F _k = força de fregament cinètic

m _k coeficient de fricció cinètica

h = força normal (lletra grega eta)

Derivació de la fórmula de fricció cinètica

Considerem un bloc de pes mg estirat sobre una superfície horitzontal tal com es mostra a la figura. Quan un cos pressiona contra una superfície, la superfície es deforma encara que sembli rígida. La superfície deformada empeny el cos amb una força normal R que és perpendicular a la superfície. Això s'anomena força de reacció normal. Equilibra mg és a dir R = mg .

programació struct array c

Ara considerem-ho com una força P s'aplica al bloc tal com es mostra. És evident que el cos roman en repòs perquè alguna altra força F entra en joc en sentit horitzontal i s'oposa a la força aplicada P resultant en una força neta zero sobre el cos. Aquesta força F que actua al llarg de la superfície del cos en contacte amb la superfície de la taula s'anomena força de fricció .

Així, sempre que el cos no es mogui F = P . Això vol dir que si augmentem P, la fricció F també augmenta, quedant sempre igual a P.

A mesura que augmentem la força aplicada una mica més enllà de la limitació de la fricció, comença el moviment real. Això no vol dir que la fricció hagi desaparegut. Només vol dir que la força ha superat la fricció limitant. Aquesta força de fricció en aquesta etapa es coneix com a fricció cinètica o fricció dinàmica.

La fricció cinètica o fricció dinàmica és la força oposada que entra en joc quan un cos es mou realment sobre la superfície d'un altre cos.

Aplicació de la fricció estàtica i cinètica

Aplicacions de la fricció estàtica

Alguns exemples de la vida real de fricció estàtica es donen als punts següents:

• Papers sobre una taula
• Una tovallola penjada d'un bastidor
• Un punt d'interès en un llibre
• Un cotxe aparcat en un turó

Aplicacions de la fricció cinètica

Alguns exemples de la vida real de fricció cinètica es donen als punts següents.

• La fricció també juga un paper important en els fets quotidians, com quan es produeix el fregament de dos objectes. El moviment resultant es converteix en calor i, per tant, provoca el foc en alguns casos.
• També és responsable del desgast i per això necessitem oli per lubricar les peces de la màquina, ja que redueix la fricció.
• Quan dos objectes es freguen l'un contra l'altre, la força de fricció es converteix en energia tèrmica, donant lloc en pocs casos al foc.
• La fricció cinètica és responsable del desgast de les peces de la màquina, per això és important lubricar les peces de la màquina amb oli.

Diferència entre fricció estàtica i cinètica

Exemples de problemes basats en la fricció estàtica i cinètica

Pregunta 1: Un home empeny un cartró gran d'una caixa de 75,0 kg pel terra.

Solució:

El coeficient de fregament cinètic és μ_k= 0.520

El treballador exerceix una força de 400,0 N cap endavant.

Quina és la magnitud de la força de fricció?

Resposta: En una superfície plana, la força normal d'un objecte es pot trobar mitjançant la fórmula

h = mg

Substituint el valor de η a l'equació F_k= m_kη, obtenim

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

Pregunta 2: a la pregunta anterior, calculeu la força neta que mou la caixa?

Solució:

La força neta que actua sobre un cos és la suma de totes les forces que actuen sobre el cos.

En aquest cas, les forces que actuen sobre el cos són la força exercida per l'home i la fricció cinètica que actua en sentit contrari.

Si el moviment cap endavant es considera positiu, la força neta es calcula de la següent manera:

F_net= F_treballador– F_k

Substituint els valors de l'equació anterior, obtenim

F_net= 400 N – 382,2 N = 17,8 N

Pregunta 3: Per què el moviment de rodament experimenta fricció?

Resposta:

En teoria, una pilota fa un contacte puntual amb la superfície.

Però en realitat, la bola (i/o la superfície) es deforma a causa de la càrrega i la zona de contacte esdevé el·líptica.

En teoria, les superfícies de rodament, com les que es troben a la majoria de coixinets rotatius i lineals (excepte els coixinets llis), no haurien de trobar forces de fricció.

Però en aplicacions del món real, tres factors causen la fricció a les superfícies de rodament:

1. Micro-lliscant entre les superfícies (les superfícies llisquen una respecte a l'altra)

2. Propietats inelàstiques (és a dir, deformació) dels materials

3. Rugositat de les superfícies

Pregunta 4: un objecte amb una massa de 10 kg es col·loca sobre una superfície llisa. La fricció estàtica entre aquestes dues superfícies es dóna com a 15 N. Troba el coeficient de fricció estàtica?

Solució:

Donat

m = 10 kg

F = 15 N

m_s= ?

Ho sabem,

Força normal, N = mg

Així, N = 10 × 9,81 = 98,1 N

La fórmula del coeficient de fricció estàtica és:

m_s= 15/N

impressió javascript

m_s= 15/98.1

m _s = 0.153

Pregunta 5: La força normal i la força de fricció estàtica d'un objecte són 50 N i 80 N respectivament. Troba el coeficient de fricció estàtica?

Solució:

Donat

N = 50 N

F = 80 N i μ_s= ?

La fórmula del coeficient de fricció estàtica és

m_s= F/N

m_s= 80/50

m_s= 1.6

Pregunta 6: Quina relació hi ha entre la fricció estàtica i la cinètica?

Resposta:

La força de fricció estàtica manté un objecte estacionari en repòs. Un cop superada la força de fricció estàtica, la força de fricció cinètica és la que frena un objecte en moviment.

Pregunta 7: Una nevera pesa 1619 N i el coeficient de fricció estàtic és de 0,50. Quina és la força mínima utilitzada per moure la nevera?

Solució:

Dades donades:

Pes de la nevera, W=1619 N

W=1619 N

Coeficient de fricció estàtica, μ_s= 0.50

La força mínima necessària per moure la nevera es pot donar com,

F = m_sEN

F = 0,50 × 1619

F = 809,50 N.