WRIJVING: TYPEN, COËFFICIËNT, BEREKENING, OEFENINGEN - FYSIEK - 2025

De wrijving is weerstand tegen beweging van een oppervlak dat in contact staat met een ander. Het is een oppervlakteverschijnsel dat optreedt tussen vaste, vloeibare en gasvormige materialen. De weerstandskracht die tangentiaal is aan twee met elkaar in contact staande oppervlakken, die de richting van de relatieve verplaatsing tussen die oppervlakken tegenwerkt, wordt ook wel de wrijvingskracht of wrijvingskracht F _{r genoemd} .

Om een ​​vast lichaam op een oppervlak te verplaatsen, moet een externe kracht worden uitgeoefend die wrijving kan overwinnen. Wanneer het lichaam beweegt, werkt de wrijvingskracht op het lichaam, vertraagt ​​het en kan het zelfs stoppen.

Wrijving

De wrijvingskracht kan grafisch worden weergegeven door het krachtdiagram van een lichaam in contact met een oppervlak. In dit diagram wordt de wrijvingskracht F _r getrokken tegengesteld aan de component van de kracht die op het lichaam wordt uitgeoefend, tangentieel aan het oppervlak.

Het contactoppervlak oefent een reactiekracht uit op het lichaam die de normaalkracht N wordt genoemd. In sommige gevallen is de normaalkracht alleen te wijten aan het gewicht P van het lichaam dat op het oppervlak rust, en in andere gevallen is het te wijten aan andere uitgeoefende krachten dan de zwaartekracht.

Wrijving treedt op omdat er microscopisch kleine ruwheden zijn tussen de oppervlakken die in contact komen. Bij het proberen om het ene oppervlak over het andere te bewegen, treedt wrijving op tussen de ruwheden die vrije beweging op het grensvlak verhinderen. Op hun beurt treden energieverliezen op in de vorm van warmte die niet wordt gebruikt om het lichaam te bewegen.

Soorten wrijving

Er zijn twee hoofdtypen wrijving: Coulomb-wrijving of droge wrijving en vloeiende wrijving.

-Coulomb-wrijving

Coulomb-wrijving werkt altijd tegen de beweging van lichamen en is onderverdeeld in twee soorten wrijving: statische wrijving en kinetische (of dynamische) wrijving.

Bij statische wrijving is er geen beweging van het lichaam op het oppervlak. De uitgeoefende kracht is erg laag en niet voldoende om de wrijvingskracht te overwinnen. Wrijving heeft een maximale waarde die evenredig is met de normaalkracht en wordt de statische wrijvingskracht F _{re genoemd} .

De kracht van statische wrijving wordt gedefinieerd als de maximale kracht die het begin van de beweging van het lichaam weerstaat. Wanneer de uitgeoefende kracht de statische wrijvingskracht overschrijdt, blijft deze op zijn maximale waarde.

Kinetische wrijving werkt wanneer het lichaam al in beweging is. De kracht die nodig is om het lichaam met wrijving in beweging te houden, wordt de kinetische wrijvingskracht F _{rc genoemd} .

De kinetische wrijvingskracht is kleiner dan of gelijk aan de statische wrijvingskracht, want als het lichaam eenmaal begint te bewegen, is het gemakkelijker in beweging te blijven dan te proberen dit in rust te doen.

Wrijvingswetten van Coulomb

1. De wrijvingskracht is recht evenredig met de kracht loodrecht op het contactoppervlak. De evenredigheidsconstante is de wrijvingscoëfficiënt μ die bestaat tussen de contactoppervlakken.
2. De wrijvingskracht is onafhankelijk van de grootte van het schijnbare contactoppervlak tussen de oppervlakken.
3. De kinetische wrijvingskracht is onafhankelijk van de glijsnelheid van het lichaam.

-Vloeistofwrijving

Wrijving treedt ook op wanneer lichamen in contact komen met vloeibare of gasvormige materialen. Dit type wrijving wordt vloeistofwrijving genoemd en wordt gedefinieerd als de weerstand tegen beweging van lichamen die in contact komen met een vloeistof.

Vloeistofwrijving verwijst ook naar de weerstand van een vloeistof om in contact te komen met vloeistoflagen van hetzelfde of een ander materiaal, en is afhankelijk van de snelheid en viscositeit van de vloeistof. Viscositeit is de maat voor de weerstand tegen beweging van een vloeistof.

-Stokes wrijving

Stokes-wrijving is een soort vloeistofwrijving waarbij bolvormige deeltjes die zijn ondergedompeld in een viskeuze vloeistof, in laminaire stroming, een wrijvingskracht ervaren die hun beweging vertraagt ​​als gevolg van fluctuaties in de moleculen van de vloeistof.

Stookt wrijving op

De stroming is laminair wanneer de viskeuze krachten, die de beweging van het fluïdum tegenwerken, groter zijn dan de traagheidskrachten en het fluïdum met voldoende kleine snelheid en in een rechtlijnig pad beweegt.

Wrijvingscoëfficiënten

Volgens de eerste wrijvingswet van Coulomb wordt de wrijvingscoëfficiënt μ verkregen uit de relatie tussen de wrijvingskracht en de kracht loodrecht op het contactoppervlak.

De coëfficiënt μ is een dimensieloze grootheid, aangezien het een relatie is tussen twee krachten, die afhangt van de aard en behandeling van de materialen die in contact komen. Over het algemeen ligt de waarde van de wrijvingscoëfficiënt tussen 0 en 1.

Statische wrijvingscoëfficiënt

De statische wrijvingscoëfficiënt is de evenredigheidsconstante die bestaat tussen de kracht die de beweging van een lichaam in rusttoestand op een contactoppervlak verhindert en de kracht loodrecht op het oppervlak.

Kinetische wrijvingscoëfficiënt

De kinetische wrijvingscoëfficiënt is de evenredigheidsconstante die bestaat tussen de kracht die de beweging van een lichaam dat op een oppervlak beweegt, beperkt en de kracht die loodrecht op het oppervlak staat.

De statische wrijvingscoëfficiënt is groter dan de kinetische wrijvingscoëfficiënt.

Elastische wrijvingscoëfficiënt

De elastische wrijvingscoëfficiënt wordt afgeleid uit de wrijving tussen contactoppervlakken van elastische, zachte of ruwe materialen die door uitgeoefende krachten worden vervormd. Wrijving gaat de relatieve beweging tussen twee elastische oppervlakken tegen en de verplaatsing gaat gepaard met een elastische vervorming van de oppervlaktelagen van het materiaal.

De wrijvingscoëfficiënt die onder deze omstandigheden wordt verkregen, hangt af van de mate van oppervlakteruwheid, de fysische eigenschappen van de materialen die in contact komen en de grootte van de tangentiële component van de afschuifkracht op het grensvlak van de materialen.

Moleculaire wrijvingscoëfficiënt

De moleculaire wrijvingscoëfficiënt wordt verkregen uit de kracht die de beweging beperkt van een deeltje dat over een glad oppervlak of door een vloeistof glijdt.

Hoe wordt wrijving berekend?

De wrijvingskracht op vaste grensvlakken wordt berekend met de vergelijking F _r = μN

Het vervangen van de gewichtsvergelijking in de wrijvingskrachtvergelijking geeft:

Kenmerken van het normale

Wanneer een object op een plat oppervlak rust, is de normaalkracht de kracht die wordt uitgeoefend door het oppervlak op het lichaam, en het werkt de zwaartekracht tegen, volgens de wet van actie en reactie van Newton.

De normaalkracht werkt altijd loodrecht op het oppervlak. Op een hellend oppervlak neemt de normaal af naarmate de hellingshoek toeneemt en wijst in een loodrechte richting weg van het oppervlak, terwijl het gewicht verticaal naar beneden wijst. De vergelijking van de normaalkracht op een hellend oppervlak is:

θ = hellingshoek van het contactvlak.

Hellende vlakwrijving

De component van de kracht die op het lichaam inwerkt om het te laten glijden is:

Naarmate de uitgeoefende kracht toeneemt, nadert deze de maximale waarde van de wrijvingskracht, deze waarde komt overeen met de statische wrijvingskracht. Wanneer F = F _re , is de statische wrijvingskracht:

En de statische wrijvingscoëfficiënt wordt verkregen door de tangens van de hellingshoek θ.

Opgeloste oefeningen

-Wrijvingskracht van een object dat op een horizontaal oppervlak rust

Een doos van 15 kg die op een horizontaal oppervlak wordt geplaatst, wordt geduwd door een persoon die een kracht van 50 Newton over een oppervlak uitoefent om deze te laten bewegen en vervolgens een kracht van 25 N toepast om de doos met een constante snelheid te laten bewegen. Bepaal de coëfficiënten van statische en kinetische wrijving.

Doos beweegt op horizontaal oppervlak

Oplossing: Met de waarde van de kracht die wordt uitgeoefend om de doos te verplaatsen, wordt de statische wrijvingscoëfficiënt μ _{e verkregen} .

De normaalkracht N naar het oppervlak is gelijk aan het gewicht van de doos, dus N = mg

In dit geval μ _e = 50Nieuw / 147Nieuw

De kracht die wordt uitgeoefend om de snelheid van de doos constant te houden, is de kinetische wrijvingskracht die gelijk is aan 25Nieuw.

De kinetische wrijvingscoëfficiënt wordt verkregen met de vergelijking μ _c = F _rc / N

-Wrijvingskracht van een object onder invloed van een kracht met een hellingshoek

Een man oefent een kracht uit op een doos van 20 kg, met een aanbrenghoek van 30 ° ten opzichte van het oppervlak waarop hij rust. Hoe groot is de kracht die wordt uitgeoefend om de doos te verplaatsen als de wrijvingscoëfficiënt tussen de doos en het oppervlak 0,5 is?

Oplossing: Het free-body-diagram geeft de uitgeoefende kracht en de verticale en horizontale componenten weer.

Vrijlichaam diagram

De uitgeoefende kracht maakt een hoek van 30 ° met het horizontale oppervlak. De verticale component van de kracht draagt ​​bij aan de normaalkracht die de kracht van statische wrijving beïnvloedt. De doos beweegt wanneer de horizontale component van de uitgeoefende kracht de maximale waarde van de wrijvingskracht F _re overschrijdt . Door de horizontale krachtcomponent gelijk te stellen aan die van statische wrijving:

normale kracht

De normaalkracht is niet langer het gewicht van het lichaam vanwege de verticale component van de kracht.

Volgens de tweede wet van Newton is de som van de krachten die op de doos op de verticale as inwerken nul, daarom is de verticale component van de versnelling a _y = 0. De normaalkracht wordt verkregen uit de som

Door de vergelijking in de vergelijking te vervangen, wordt het volgende verkregen:

-Wrijving in een bewegend voertuig

Een voertuig van 1,5 ton rijdt op een rechte en horizontale weg met een snelheid van 70 km / u. De chauffeur ziet op een bepaalde afstand obstakels op de weg die hem dwingen scherp te remmen. Na het remmen slipt het voertuig korte tijd totdat het tot stilstand komt. Als de wrijvingscoëfficiënt tussen de banden en de weg 0,7 is; bepaal het volgende:

1. Wat is de waarde van wrijving terwijl het voertuig slipt?
2. Vertraging van het voertuig
3. De afstand die het voertuig heeft afgelegd vanaf het moment dat het remt tot het moment waarop het stopt.

De wrijvingskracht van het voertuig wanneer het slipt is:

= 10290 Nieuw

Sectie b

De wrijvingskracht beïnvloedt de vertraging van het voertuig wanneer het slipt.

Door de tweede wet van Newton toe te passen, wordt de waarde van de vertraging verkregen door de vergelijking F = ma op te lossen

Sectie c

De beginsnelheid van het voertuig is v ₀ = 70 km / u = 19,44 m / s

Wanneer het voertuig stopt, is de eindsnelheid v _f = 0 en de vertraging is a = - 6,86 m / s ²

De door het voertuig afgelegde afstand, vanaf het moment dat het remt tot het moment waarop het stopt, wordt verkregen door voor d op te lossen uit de volgende vergelijking:

Het voertuig legt 27,54 meter afstand af alvorens te stoppen.

1. Berekeningen van de wrijvingscoëfficiënt onder elastische contactomstandigheden. Mikhin, N. M. 2, 1968, Soviet Materials Science, Vol. 4, blz. 149-152.
2. Blau, P J. Friction Science and Technology. Florida, VS: CRC Press, 2009.
3. Verband tussen adhesie en wrijvingskrachten. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung en Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, blz. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force en Motion. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Principes en toepassingen van tribologie. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, CS en Purohit, K. Theorie van mechanismen en machines. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.