Innehåll
Ytor utövar en friktionskraft som motstår glidande rörelser, och du måste beräkna storleken på denna kraft som en del av många fysikproblem. Mängden friktion beror huvudsakligen på den "normala kraften", vilka ytor utövar på föremål som sitter på dem, liksom egenskaperna hos den specifika ytan du överväger. För de flesta ändamål kan du använda formeln F = μN för att beräkna friktion, med N står för den "normala" kraften och "μ”Med ytans egenskaper.
TL; DR (för lång; läste inte)
Beräkna friktionskraften med formeln:
F = μN
Var N är normalkraften och μ är friktionskoefficienten för dina material och om de är stillastående eller rörliga. Normalkraften är lika med objektets vikt, så det kan också skrivas:
F = μmg
Var m är föremålets massa och g är accelerationen på grund av tyngdkraften. Friktionen verkar för att motverka föremålets rörelse.
Vad är friktion?
Friktion beskriver kraften mellan två ytor när du försöker flytta den ena över den andra. Kraften motstår rörelse, och i de flesta fall verkar kraften i motsatt riktning än rörelsen. Nere på molekylnivå, när du pressar två ytor ihop, kan mindre brister i varje yta låsa varandra, och det kan finnas attraktiva krafter mellan molekylerna i det ena materialet och det andra. Dessa faktorer gör det svårare att flytta dem förbi varandra. Du arbetar dock inte på denna nivå när du beräknar friktionskraften. För vardagliga situationer grupperar fysiker alla dessa faktorer i "koefficienten" μ.
Beräkna friktionskraften
Den "normala" kraften beskriver kraften som ytan ett objekt vilar på (eller pressas på) utövar på objektet. För ett stilla föremål på en plan yta måste kraften exakt motsätta sig kraften på grund av tyngdkraft, annars skulle objektet röra sig enligt Newtons rörelseregler. Den "normala" kraften (N) är namnet på kraften som gör detta.
Den fungerar alltid vinkelrätt mot ytan. Detta betyder att normalkraften på en lutande yta fortfarande pekar direkt bort från ytan, medan tyngdkraften pekar direkt nedåt.
Normalkraften kan enkelt beskrivas i de flesta fall genom:
N = mg
Här, m representerar objektets massa, och g står för accelerationen på grund av tyngdkraften, som är 9,8 meter per sekund per sekund (m / s2), eller nätdon per kilogram (N / kg). Detta matchar helt enkelt objektets "vikt".
För lutande ytor reduceras normalkraftens styrka ju mer ytan lutar, så formeln blir:
N = mg cos (θ)
Med θ står för den vinkel ytan lutar till.
För en enkel exempelberäkning, överväg en plan yta med ett 2 kg träblock som sitter på det. Normalkraften pekar direkt uppåt (för att stödja blockets vikt), och du beräknar:
N = 2 kg × 9,8 N / kg = 19,6 N
Koefficienten beror på objektet och den specifika situation du arbetar med. Om objektet inte redan rör sig över ytan använder du statisk friktionskoefficient μstatisk, men om det rör sig använder du glidfriktionskoefficienten μglida.
I allmänhet är glidfriktionskoefficienten mindre än statisk friktionskoefficient. Med andra ord är det lättare att glida något som redan glider än att glida något som är kvar.
Materialen du överväger påverkar också koefficienten. Om exempelvis träblocket från tidigare låg på en tegelyta, skulle koefficienten vara 0,6, men för rent trä kan det vara var som helst från 0,25 till 0,5. För is på is är den statiska koefficienten 0,1. Återigen minskar glidskoefficienten detta ännu mer, till 0,03 för is på is och 0,2 för trä på trä. Slå upp dessa efter din yta med hjälp av en onlinetabell (se Resurser).
Formeln för friktionskraften säger:
F = μN
Tänk till exempel på ett träblock med en massa på 2 kg på ett träbord och skjuts från stillastående. I det här fallet använder du den statiska koefficienten med μstatisk = 0,25 till 0,5 för trä. Tar μstatisk = 0,5 för att maximera den potentiella effekten av friktion, och att komma ihåg N = 19,6 N från tidigare, är kraften:
F = 0,5 × 19,6 N = 9,8 N
Kom ihåg att friktion endast ger kraft för att motstå rörelse, så om du börjar trycka den försiktigt och bli fastare ökar friktionskraften till ett maximivärde, vilket är vad du just har beräknat. Fysiker skriver ibland Fmax för att göra detta klart.
När blocket rör sig använder du μglida = 0,2, i detta fall:
Fglida = μglida N
= 0,2 × 19,6 N = 3,92 N