Reibungsarten, Koeffizienten, Berechnung, Übungen

Der Reibung Es ist der Widerstand gegen die Verschiebung einer Oberfläche, während er mit einer anderen in Kontakt ist. Es ist ein oberflächliches Phänomen, das zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Materialien auftritt. Die tangentiale Widerstandskraft zu zwei Kontaktflächen, die sich der Richtung der relativen Verschiebung zwischen diesen Oberflächen widersetzen, wird auch als Reibungskraft oder Reibungskraft bezeichnet F_R.

Um einen festen Körper auf einer Oberfläche zu verdrängen, muss eine externe Kraft angewendet werden, die die Reibung überwinden kann. Wenn sich der Körper bewegt.

Reibung [von Keta, Pietter Kuiper (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/Datei: Reibung.Svg)]

Die Reibungskraft kann durch das Kräftediagramm eines Körpers, der mit einer Oberfläche in Kontakt steht, grafisch dargestellt werden. In diesem Diagramm die Reibungskraft F_R Es wird von der Komponente der auf den Tangentialkörper angewendeten Kraft an die Oberfläche gezeichnet.

Die Kontaktoberfläche übt eine Reaktionskraft auf den Körper aus, die als Normalkraft bezeichnet wird N. In einigen Fällen ist die Normalkraft nur auf Gewicht zurückzuführen P des Körper.

Die Reibung entsteht, weil zwischen den Oberflächen in Kontakt mikroskopisch. Wenn Sie versuchen, eine Oberfläche auf die andere zu bewegen. Energieverluste werden wiederum in Form von Wärme erzeugt, die nicht verwendet wird, um den Körper zu bewegen.

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Arten von Reibung

Es gibt zwei Hauptarten von Reibung: die Reibung von Coulomb o trockene Reibung und flüssige Reibung.

-Coulomb -Reibung

Die Reibung von Coulomb Es widersetzt sich immer der Bewegung von Körpern und ist in zwei Arten von Reibung unterteilt: statische Reibung und kinetische (oder dynamische) Reibung.

In statischer Reibung gibt es keine Körperbewegung auf der Oberfläche. Die angewendete Kraft ist sehr niedrig und reicht nicht aus, um die Reibungskraft zu überwinden. Die Reibung hat einen maximalen Wert, der proportional zur Normalkraft ist und als statische Reibungskraft bezeichnet wird F_Betreff.

Die statische Reibungskraft ist definiert als die maximale Kraft, die zu Beginn der Körperbewegung widersteht. Wenn die angewendete Kraft die statische Reibungskraft überschreitet, bleibt sie ihren Höchstwert.

Kinetische Reibung wirkt, wenn der Körper in Bewegung ist. Die Kraft, die erforderlich ist, um den Körper mit Reibung zu halten, wird als kinetische Reibungskraft bezeichnet F_RC.

Die kinetische Reibungskraft ist weniger oder gleich der statischen Reibungskraft, denn sobald der Körper beginnt, sich zu bewegen.

Coulomb -Reibungsgesetze

1. Die Reibungskraft ist direkt proportional zur Normalkraft zur Kontaktfläche. Die Verhältnismäßigkeitskonstante ist der Reibungskoeffizient μ das besteht zwischen den Kontaktflächen in Kontakt.
2. Die Reibungskraft ist unabhängig von der Größe des scheinbaren Kontaktbereichs zwischen den Oberflächen.
3. Die kinetische Reibungskraft ist unabhängig von der Schiebergeschwindigkeit der Körper.

-Fließende Reibung

Reibung tritt auch auf, wenn sich die Körper mit flüssigen oder gasförmigen Materialien in Kontakt bewegen. Diese Art von Reibung wird als flüssige Reibung bezeichnet und definiert als der Widerstand gegen die Bewegung von Körpern in Kontakt mit einer Flüssigkeit.

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Fluid -Reibung bezieht sich auch auf den Widerstand einer Flüssigkeit, um in Kontakt mit Flüssigkeitsschichten desselben oder anderen Materials zu fließen und hängt von der Geschwindigkeit und Viskosität der Flüssigkeit ab. Viskosität ist das Maß für den Widerstand gegen die Bewegung einer Flüssigkeit.

-Stokes Reibung

Stokes -Reibung ist eine Art flüssiger Reibung, bei der kugelförmige Partikel, die in eine viskose Flüssigkeit in laminarer Strömung eingetaucht sind.

Stokes Reibung [von Kraaiennest (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: stokes_sphere.Svg)]

Der Fluss ist laminar, wenn die viskosen Kräfte, die sich der Bewegung der Flüssigkeit widersetzen, größer sind als die Trägheitskräfte und die Flüssigkeit mit ausreichend geringer Geschwindigkeit und in geradliniger Flugbahn bewegt.

Reibungskoeffizienten

Nach dem ersten Reibungsgesetz von Coulomb Der Reibungskoeffizient μ Es wird aus der Beziehung zwischen Reibungskraft und Normalkraft zur Kontaktfläche erhalten.

μ = f_R/N

Der Koeffizient μ Es ist eine dimensionslose Menge, da es sich um eine Beziehung zwischen zwei Kräften handelt, die von der Art und Behandlung von Materialien in Kontakt abhängt. Im Allgemeinen liegt der Wert des Reibungskoeffizienten zwischen 0 und 1.

Statischer Reibungskoeffizient

Der statische Reibungskoeffizient ist die Konstante der Verhältnismäßigkeit, die zwischen der Kraft besteht, die die Bewegung eines Körpers in einem Kontaktzustand auf einer Kontaktfläche und der Normalkraft zur Oberfläche verhindert.

μ_Und= F_Betreff/N

Kinetischer Reibungskoeffizient

Der kinetische Reibungskoeffizient ist die Konstante der Verhältnismäßigkeit, die zwischen der Kraft besteht, die die Bewegung eines Körpers einschränkt, der sich auf einer Oberfläche und der Normalkraft zur Oberfläche bewegt.

μ_C= F_RC/N

Der statische Reibungskoeffizient ist größer als der kinetische Reibungskoeffizient.

μ_s> μ_C

Elastischer Reibungskoeffizient

Der elastische Reibungskoeffizient leitet. Die Reibung widerspricht der relativen Bewegung zwischen zwei elastischen Oberflächen, und die Verschiebung wird von einer elastischen Verformung der Oberflächenschichten des Materials einhergeht.

Der unter diesen Bedingungen erhaltene Reibungskoeffizient hängt vom Grad der Oberflächenrauheit, von den physikalischen Eigenschaften von Kontaktmaterial und der Größe der tangentialen Komponente der Hörkraft in der Materialgrenzfläche ab.

Molekularer Reibungskoeffizient

Der Koeffizient der molekularen Reibung wird aus der Kraft erhalten, die die Bewegung eines Teilchens einschränkt, das auf einer weichen Oberfläche oder durch eine Flüssigkeit gleitet.

Wie wird die Reibung berechnet??

Die Reibungskraft in festen Grenzflächen wird unter Verwendung der Gleichung berechnet F_R = μn

N Es ist die normale Kraft und μ Es ist der Reibungskoeffizient.

In einigen Fällen entspricht die Normalkraft dem Gewicht des Körpers P. Das Gewicht wird durch Multiplizieren der Masse erhalten M des Körpers aufgrund der Beschleunigung der Schwerkraft G.

P= mg

Durch Ersetzen der Gewichtsgleichung in der Reibungskraftgleichung wird sie erhalten:

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F_R = μmg

Normale Eigenschaften

Wenn sich ein Objekt auf einer flachen Oberfläche in Ruhe befindet, ist die Normalkraft diejenige, die die Oberfläche am Körper ausübt und die Kraft aufgrund der Schwerkraft nach Newtonschen Handlungsgesetz und Reaktion widerspricht.

Normale Kraft wirkt immer senkrecht zur Oberfläche. Auf einer geneigten Oberfläche nimmt der Normalwert ab, wenn der Neigungswinkel in senkrechter Richtung von der Oberfläche entfernt ist, während das Gewicht vertikal sinkt. Die Normalkraftgleichung auf einer geneigten Oberfläche lautet:

N = mgcosθ

θ = Neigungswinkel der Kontaktfläche.

Reibung in der geneigten Ebene [von Mets501 (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/Datei: Free_body.Svg)]

Die Komponente der Kraft, die auf den Körper wirkt, um zu gleiten, ist:

F = mgsenθ

Wenn die angewendete Kraft auf den Maximalwert der Reibungskraft zunimmt, entspricht dieser Wert der statischen Reibungskraft. Wenn  F = f_Betreff, Die statische Reibungskraft lautet:

F_Betreff= mgsenθ

Und der statische Reibungskoeffizient wird durch Tangente des Neigungswinkels erhalten θ.

μ_Und = tanθ

Gelöste Übungen

-Reibungskraft eines Objekts, das auf einer horizontalen Oberfläche ruht

Eine 15 -kg -Box, die auf eine horizontale Oberfläche platziert ist. Bestimmen Sie die statischen und kinetischen Reibungskoeffizienten.

Box bewegt sich auf horizontaler Oberfläche

Lösung: Mit dem Wert der angelegten Kraft zum Bewegen des Box wird der statische Reibungskoeffizient erhalten μ_Und.

μ_Und= F_Betreff/N

Die normale Kraft N an die Oberfläche ist gleich dem Gewicht der Box, also N = m.G

N = 15 kgx9,8 m/s²

N = 147New

In diesem Fall, μ_Und= 50New/147New

μ_Und= 0,34

Die angelegte Kraft, um die Geschwindigkeit des konstanten Box aufrechtzuerhalten, ist die kinetische Reibungskraft, die gleich 25New ist.

Der kinetische Reibungskoeffizient wird mit der Gleichung erhalten μ_C= F_RC /N

μ_C= 25New/147New

μ_C= 0,17

-Reibungskraft eines Objekts unter der Wirkung einer Kraft mit einem Neigungswinkel

Ein Mann wendet eine Kraft auf eine 20 -kg -Box mit einem Anwendungswinkel von 30 ° in Bezug auf die Oberfläche, auf der er ruht. Wie hoch ist die Größe der angelegten Kraft, um die Box zu bewegen, wenn der Reibungskoeffizient zwischen der Box und der Oberfläche 0,5 beträgt?

Lösung: Die angewendete Kraft und ihre vertikale und horizontale Komponenten sind im freien Körperdiagramm dargestellt.

Freikörperdiagramm

Die angelegte Kraft bildet einen Winkel von 30 ° mit der horizontalen Oberfläche. Die vertikale Komponente der Kraft ergänzt die Normalkraft, die die statische Reibungskraft beeinflusst. Die Box bewegt sich, wenn die horizontale Komponente der angelegten Kraft den Maximalwert der Reibungskraft überschreitet F_Betreff. Durch die Übereinstimmung der horizontalen Komponente der Kraft mit der statischen Reibung wird sie erhalten:

F_Betreff = Fcosθ                       [1]

F_Betreff= μ_Und.N                          [2]

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μ_Und.N = fcosθ                      [3]

normale Stärke

Normalkraft ist aufgrund der vertikalen Kraft nicht mehr das Gewicht des Körpers.

Nach Newtons zweitem Gesetz ist die Summe der Kräfte, die auf die Schachtel auf der vertikalen Achse wirken, ungültig, daher ist die vertikale Komponente der Beschleunigung Zu_Und= 0. Normale Kraft wird aus der Summe erhalten

F sen30 ° + n - p = 0                      [4]

P = m.G                                        [5]

F snn 30 ° + n - m.G = 0                [6]

N = m.G - f sen 30 °                      [7]

Beim Ersetzen von Gleichung [7] in Gleichung [3] wird Folgendes erhalten:

μ_Und. (M.G - f sin 30 °) = fcos30 °     [8]

Es klärt F Aus Gleichung [8] und erhalten:

F = μ_Und . M.G /(cos 30 ° + μ_Und sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m/s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5New

-Reibung in einem sich bewegenden Fahrzeug

Ein Fahrzeug von 1,5 Tonnen bewegt sich auf einer geradlinigen und horizontalen Straße mit einer Geschwindigkeit von 70 km/h. Der Fahrer visualisiert in einem bestimmten Abstand Hindernisse auf der Straße, die ihn zwingen, scharf anzuhalten. Nachdem das Skatefahrzeug für einen kurzen Zeitraum angehalten wurde, bis es anhält. Wenn der Reibungskoeffizient zwischen den Reifen und der Straße 0,7 beträgt; Bestimmen Sie Folgendes:

1. Was ist der Wert der Reibung während des Patina -Fahrzeugs?
2. Fahrzeugverzögerung
3. Die vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke stoppt, bis es anhält.

Lösung:

Abschnitt a

Das freie Körperdiagramm zeigt die Kräfte, die beim Skaten auf das Fahrzeug wirken.

Kräfte, die in einem sich bewegenden Fahrzeug handeln

Da die Summe der Kräfte, die in der vertikalen Achse wirken, Null ist, ist die Normalkraft gleich dem Gewicht des Fahrzeugs.

N = m.G

M = 1,5 Tonne = 1500 kg

N = 1500 kgx9,8 m/s²= 14700New

Die Reibungskraft des Fahrzeugs beim Skaten ist:

F_R = μn = 0,7 x 14700New

= 10290 Neu

Abschnitt b

Die Reibungskraft beeinflusst die Abnahme der Fahrzeuggeschwindigkeit beim Skaten.

Bei der Anwendung von Newtons zweitem Gesetz wird der Wert der Verlangsamung durch Löschen der Gleichung erhalten F = m.Zu

A = f/m

a = ((-10290 neu)/ 1500 kg

= -6,86 m/s²

Abschnitt c

Die anfängliche Fahrzeuggeschwindigkeit ist v₀ = 70 km/h = 19,44 m/s

Wenn das Fahrzeug seine endgültige Geschwindigkeit anhält, ist es v_F = 0 Und die Verzögerung ist a = -6,86 m/s²

Die vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke, da es anhält, bis es anhält, wird es durch Löschen erhalten D der folgenden Gleichung:

v_F² = v₀²+2ad

D = (v_F² - v₀²)/2a

= ((0)²-(19,44 m/s)²)/(2x (-6,86 m/s²)

D = 27,54 m

Das Fahrzeug reist 27,54 m Entfernung vor dem Stoppen.

 Verweise

1. Berechnungen des Reibungskoeffizienten unter elastischen Kontaktbedingungen. Mikhin, n m. 2, 1968, Sowjetmaterialienwissenschaft, vol. 4, p. 149-152.
2. Blau, P J. Reibungswissenschaft und Technologie. Florida, USA: CRC Press, 2009.
3. Beziehung zwischen Adhäsion und Reibungskräften. Isralachvili, J. N, Chen, You-Lung und Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhäsion Science and Technology, vol. 8, p. 1231-1249.
4. Zimba, j. Kraft und Bewegung. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, geb. Prinzipien und Anwendungen der Tribologie. New York: John Wiley und Sons, 1999.
6. Sharma, C S und Purohit, K. Theorie der Mechanismen und Maschinen. Neu -Delhi: Prentice Hall of India, 2006.