Aspectele mai simple ale frecării tratate până acum sunt caracteristicile sale macroscopice (la scară mare). În ultimele decenii, s-au făcut pași mari în explicarea la scară atomică a frecării. Cercetătorii constată că natura atomică a frecării pare să aibă câteva caracteristici fundamentale. Aceste caracteristici nu numai că explică unele dintre aspectele mai simple ale frecării, ci dețin și potențialul de dezvoltare a unor medii aproape fără frecare, care ar putea economisi sute de miliarde de dolari în energia care este în prezent convertită (inutil) în căldură.
Figura 6.15 ilustrează o caracteristică macroscopică a frecării, care este explicată de cercetarea microscopică (la scară mică). Am observat că frecarea este proporțională cu forța normală, dar nu și cu cantitatea de suprafață în contact, o noțiune oarecum contraintuitivă. Când două suprafețe aspre sunt în contact, aria de contact reală este o mică parte din suprafața totală, deoarece doar punctele înalte se ating. Când se exercită o forță normală mai mare, aria de contact reală crește și constatăm că frecarea este proporțională cu această zonă.
Figura 6.15 Două suprafețe rugoase în contact au o suprafață de contact reală mult mai mică decât aria lor totală. Când forța normală este mai mare ca urmare a unei forțe mai mari aplicate, aria de contact reală crește, la fel ca și frecarea.
Cu toate acestea, perspectiva la scară atomică promite să explice mult mai mult decât caracteristicile mai simple ale frecării. Mecanismul prin care se generează căldura este acum în curs de determinare. Cu alte cuvinte, de ce suprafețele se încălzesc când sunt frecate? În esență, atomii sunt legați unul de altul pentru a forma rețele. Când suprafețele se freacă, atomii de suprafață aderă și provoacă vibrația rețelelor atomice, creând, în esență, unde sonore care pătrund în material. Undele sonore se diminuează odată cu distanța, iar energia lor este transformată în căldură. Reacțiile chimice care sunt legate de uzura prin frecare pot apărea și între atomi și molecule de pe suprafețe. Figura 6.16 arată cum vârful unei sonde trase peste alt material este deformat prin frecare la scară atomică. Forța necesară pentru a trage vârful poate fi măsurată și se constată că este legată de efortul de forfecare, care este discutat în Echilibrul static și elasticitate. Variația tensiunii de forfecare este remarcabilă (mai mult decât un factor de 1012) și dificil de prezis teoretic, dar efortul de forfecare oferă o înțelegere fundamentală a unui fenomen la scară largă cunoscut încă din cele mai vechi timpuri – frecarea.
Figura 6.16 Vârful unei sonde este deformat lateral de forța de frecare pe măsură ce sonda este târâtă pe o suprafață. Măsurătorile modului în care variază forța pentru diferite materiale oferă perspective fundamentale asupra naturii atomice a frecării.
| EXEMPLUL 6.12
Blocuri glisante Cele două blocuri din figura 6.17 sunt atașate unul de celălalt printr-o sfoară fără masă care este înfășurată în jurul unui scripete fără frecare. Când blocul inferior de 4,00 kg este tras la stânga de forța constantă P⃗, blocul superior de 2,00 kg alunecă peste el spre dreapta. Aflați mărimea forței necesare pentru a deplasa blocurile cu viteză constantă. Să presupunem că coeficientul de frecare cinetică între toate suprafețele este 0,400.
Strategie Analizăm separat mișcările celor două blocuri. Blocul superior este supus unei forțe de contact exercitate de blocul inferior. Componentele acestei forțe sunt forța normală N1 și forța de frecare −0,400N1. Alte forțe asupra blocului de sus sunt tensiunea Ti din șir și greutatea blocului de sus în sine, 19,6 N. Blocul de jos este supus forțelor de contact din cauza blocului de sus și din cauza podelei. Prima forță de contact are componente -N1 și 0,400N1, care sunt pur și simplu forțe de reacție la forțele de contact pe care blocul inferior le exercită asupra blocului superior. Componentele forței de contact a podelei sunt N2 și 0,400N2. Alte forțe pe acest bloc sunt −P, tensiunea Ti și greutatea –39,2 N. Soluție Deoarece blocul superior se deplasează orizontal spre dreapta cu viteză constantă, accelerația sa este zero atât în direcția orizontală, cât și în cea verticală. Din a doua lege a lui Newton, ∑Fx = m1ax , ∑Fy = m1ay. T − 0.400N1 = 0 , N1 – 19,6N = 0 Rezolvând cele două necunoscute, obținem N1 = 19,6N și T = 0,40N1 = 7,84N. Nici blocul de jos nu se accelerează, așa că aplicarea celei de-a doua legi a lui Newton la acest bloc dă ∑Fx = m2ax , ∑Fy = m2ay. T – P + 0,400N1 + 0,400N2 = 0 , N2 − 39,2N − N1 = 0 Valorile lui N1 și T au fost găsite cu primul set de ecuații. Când aceste valori sunt înlocuite în al doilea set de ecuații, putem determina N2 și P. Ele sunt N2 = 58,8N și P = 39,2N. Semnificație Înțelegerea direcției în care să trageți forța de frecare este adesea supărătoare. Observați că fiecare forță de frecare etichetată în figura 6.17 acționează în direcția opusă mișcării blocului său corespunzător. |
| EXEMPLUL 6.13
O ladă pe un camion cu accelerație O ladă de 50,0 kg se sprijină pe remorca unui camion, așa cum se arată în Figura 6.18. Coeficienții de frecare dintre suprafețe sunt μk = 0,300 și μs = 0,400. Aflați forța de frecare asupra lăzii atunci când camionul accelerează înainte față de sol la (a) 2,00 m/s2 și (b) 5,00 m/s2.
Strategie Forțele asupra lăzii sunt greutatea acesteia și forțele normale și de frecare datorate contactului cu platforma camionului. Începem prin a presupune că lada nu alunecă. În acest caz, forța statică de frecare fs acționează asupra lăzii. În plus, accelerațiile lăzii și ale camionului sunt egale. Soluție a. Aplicarea celei de-a doua legi a lui Newton la ladă, folosind cadrul de referință atașat la sol, produce ∑Fx = max , ∑Fy = may., Fs = (50,0 kg)(2,00 m/s2) , N − 4,90 × 102 N = (50,0kg)(0) = 1,00×102 N , N = 4,90×102 N Acum putem verifica validitatea ipotezei noastre anti-alunecare. Valoarea maximă a forței de frecare statică este μsN = (0,400)(4,90 × 102 N) = 196 N, în timp ce forța reală de frecare statică care acționează atunci când camionul accelerează înainte cu 2,00 m/s2 este de numai 1,00 × 102 N. Astfel, ipoteza că nu alunecă este valabilă. b. Dacă lada se deplasează cu camionul atunci când accelerează cu 5,0 m/s2, forța de frecare statică trebuie să fie fs = max = (50,0 kg)(5,00 m/s2) = 250 N. Deoarece aceasta depășește maximul de 196 N, lada trebuie să alunece. Forța de frecare este deci cinetică și este fk = μkN = (0,300)(4,90 × 102 N) = 147 N. Accelerația orizontală a lăzii față de sol se găsește acum din ∑Fx = max 147 N = (50,0 kg)ax, deci ax = 2,94 m/s2. Semnificație Față de sol, camionul accelerează înainte cu 5,0 m/s2, iar lada accelerează înainte cu 2,94 m/s2. Prin urmare, lada alunecă înapoi în raport cu platforma camionului cu o accelerație de 2,94 m/s2 − 5,00 m/s2 = −2,06 m/s2. |
| EXEMPLUL 6.14
Snowboard Anterior, am analizat situația unui schior alpin care se mișcă cu viteză constantă pentru a determina coeficientul de frecare cinetică. Acum să facem o analiză similară pentru a determina accelerația. Snowboarderul din figura 6.19 alunecă pe o pantă care este înclinată la θ = 130 față de orizontală. Coeficientul de frecare cinetică dintre scândură și zăpadă este μk = 0,20. Care este accelerația snowboarderului?
Strategie Forțele care acționează asupra snowboarderului sunt greutatea acesteia și forța de contact a pantei, care are o componentă normală înclinării și o componentă de-a lungul înclinației (forța de frecare cinetică). Deoarece se deplasează de-a lungul pantei, cel mai convenabil cadru de referință pentru analiza mișcării ei este unul cu axa x de-a lungul înclinației și axa y perpendiculară pe înclinație. În acest cadru, atât forțele normale, cât și cele de frecare se află de-a lungul axelor de coordonate, componentele greutății sunt mgsinθ de-a lungul pantei și mgcosθ în unghi drept în pantă, iar singura accelerație este de-a lungul axei x (ay = 0). Soluție Acum putem aplica a doua lege a lui Newton snowboarderului: ∑Fx = max , ∑Fy = may mgsinθ – μkN = max , N – mgcosθ = m(0). Din a doua ecuație, N = mgcosθ. Înlocuind aceasta in prima ecuație, găsim ax = g(sinθ − μkcosθ) = g(sin13° − 0,20cos13°) = 0,29 m/s2. Semnificație Observați din această ecuație că dacă θ este suficient de mic sau μk este suficient de mare, ax este negativ, adică snowboarderul încetinește. |
| EXERCIȚIUL 6.8
Snowboarderul coboară acum un deal cu o înclinație de 10,0°. Care este accelerația snowboarderului? |
Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu. © 2024 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2
Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1
O explorare cuprinzătoare a fizicii, combinând perspective teoretice cu fenomene din lumea reală.
Mecanica fenomenologică
O incursiune captivantă în lumea principiilor fundamentale care stau la baza mișcării și interacțiunilor mecanice.
Lasă un răspuns