REIBUNG: TYPEN, KOEFFIZIENT, BERECHNUNG, ÜBUNGEN - KÖRPERLICH - 2024

Die Reibung ist der Widerstand gegen die Bewegung einer Oberfläche, die mit einer anderen in Kontakt steht. Es ist ein Oberflächenphänomen, das zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Materialien auftritt. Die Widerstandskraft tangential zu zwei sich berührenden Flächen, die der Richtung der relativen Verschiebung zwischen diesen Flächen entgegengesetzt ist, wird auch als Reibungskraft oder Reibungskraft F _{r bezeichnet} .

Um einen festen Körper auf einer Oberfläche zu verschieben, muss eine äußere Kraft ausgeübt werden, die die Reibung überwinden kann. Wenn sich der Körper bewegt, wirkt die Reibungskraft auf den Körper, verlangsamt ihn und kann ihn sogar stoppen.

Reibung

Die Reibungskraft kann grafisch durch das Kraftdiagramm eines Körpers in Kontakt mit einer Oberfläche dargestellt werden. In diesem Diagramm ist die Reibungskraft F _r entgegen der Komponente der Kraft gezeichnet, die auf den Körper tangential zur Oberfläche ausgeübt wird.

Die Kontaktfläche übt eine Reaktionskraft auf den Körper aus, die als Normalkraft N bezeichnet wird. In einigen Fällen ist die Normalkraft nur auf das Gewicht P des auf der Oberfläche ruhenden Körpers zurückzuführen, und in anderen Fällen ist sie auf andere aufgebrachte Kräfte als die Schwerkraft zurückzuführen.

Reibung tritt auf, weil zwischen den berührenden Oberflächen mikroskopische Rauheiten bestehen. Beim Versuch, eine Oberfläche über die andere zu bewegen, tritt Reibung zwischen den Rauheiten auf, die eine freie Bewegung an der Grenzfläche verhindern. Energieverluste treten wiederum in Form von Wärme auf, die nicht zur Bewegung des Körpers verwendet wird.

Arten der Reibung

Es gibt zwei Haupttypen von Reibung: Coulomb-Reibung oder Trockenreibung und Flüssigkeitsreibung.

-Koulomb-Reibung

Coulomb-Reibung wirkt immer der Bewegung von Körpern entgegen und wird in zwei Arten von Reibung unterteilt: statische Reibung und kinetische (oder dynamische) Reibung.

Bei Haftreibung gibt es keine Bewegung des Körpers auf der Oberfläche. Die aufgebrachte Kraft ist sehr gering und reicht nicht aus, um die Reibungskraft zu überwinden. Reibung hat einen Maximalwert, der proportional zur Normalkraft ist und als statische Reibungskraft F _{re bezeichnet wird} .

Die Kraft der Haftreibung ist definiert als die maximale Kraft, die dem Beginn der Bewegung des Körpers widersteht. Wenn die aufgebrachte Kraft die Haftreibungskraft überschreitet, bleibt sie auf ihrem Maximalwert.

Kinetische Reibung wirkt, wenn der Körper bereits in Bewegung ist. Die Kraft, die erforderlich ist, um den Körper mit Reibung in Bewegung zu halten, wird als kinetische Reibungskraft F _{rc bezeichnet} .

Die kinetische Reibungskraft ist kleiner oder gleich der statischen Reibungskraft, da es einfacher ist, sich in Bewegung zu halten, wenn sich der Körper zu bewegen beginnt, als dies in Ruhe zu versuchen.

Coulombs Reibungsgesetze

1. Die Reibungskraft ist direkt proportional zur Kraft senkrecht zur Kontaktfläche. Die Proportionalitätskonstante ist der Reibungskoeffizient μ, der zwischen den Kontaktflächen besteht.
2. Die Reibungskraft ist unabhängig von der Größe der scheinbaren Kontaktfläche zwischen den Oberflächen.
3. Die kinetische Reibungskraft ist unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit des Körpers.

-Fluid Reibung

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

Flüssigkeitsreibung bezieht sich auch auf den Strömungswiderstand eines Fluids in Kontakt mit Fluidschichten desselben oder eines anderen Materials und hängt von der Geschwindigkeit und Viskosität des Fluids ab. Die Viskosität ist das Maß für den Bewegungswiderstand einer Flüssigkeit.

- Schürt die Reibung

Stokes-Reibung ist eine Art von Flüssigkeitsreibung, bei der kugelförmige Partikel, die in eine viskose Flüssigkeit eingetaucht sind, in laminarer Strömung eine Reibungskraft erfahren, die ihre Bewegung aufgrund von Schwankungen in den Molekülen der Flüssigkeit verlangsamt.

Schürt die Reibung

Die Strömung ist laminar, wenn die viskosen Kräfte, die der Bewegung des Fluids entgegenwirken, größer sind als die Trägheitskräfte und sich das Fluid mit ausreichend geringer Geschwindigkeit und auf einem geradlinigen Weg bewegt.

Reibungskoeffizienten

Nach Coulombs erstem Reibungsgesetz ergibt sich der Reibungskoeffizient μ aus der Beziehung zwischen der Reibungskraft und der zur Kontaktfläche senkrechten Kraft.

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

Statischer Reibungskoeffizient

Der Haftreibungskoeffizient ist die Proportionalitätskonstante, die zwischen der Kraft, die die Bewegung eines Körpers in einem Ruhezustand auf einer Kontaktfläche verhindert, und der Kraft senkrecht zur Oberfläche besteht.

Kinetischer Reibungskoeffizient

Der kinetische Reibungskoeffizient ist die Proportionalitätskonstante, die zwischen der Kraft, die die Bewegung eines sich auf einer Oberfläche bewegenden Körpers einschränkt, und der Kraft senkrecht zur Oberfläche besteht.

Der Haftreibungskoeffizient ist größer als der kinetische Reibungskoeffizient.

Elastischer Reibungskoeffizient

Der elastische Reibungskoeffizient ergibt sich aus der Reibung zwischen Kontaktflächen elastischer, weicher oder rauer Materialien, die durch aufgebrachte Kräfte verformt werden. Die Reibung wirkt der Relativbewegung zwischen zwei elastischen Oberflächen entgegen und die Verschiebung geht mit einer elastischen Verformung der Oberflächenschichten des Materials einher.

Der Reibungskoeffizient, der unter diesen Bedingungen erhalten wird, hängt vom Grad der Oberflächenrauheit, den physikalischen Eigenschaften der berührenden Materialien und der Größe der Tangentialkomponente der Scherkraft an der Grenzfläche der Materialien ab.

Molekularer Reibungskoeffizient

Der molekulare Reibungskoeffizient ergibt sich aus der Kraft, die die Bewegung eines Partikels einschränkt, das auf einer glatten Oberfläche oder durch eine Flüssigkeit gleitet.

Wie berechnet sich die Reibung?

Die Reibungskraft an festen Grenzflächen wird unter Verwendung der Gleichung F _r = μN berechnet

Das Einsetzen der Gewichtsgleichung in die Reibungskraftgleichung ergibt:

Eigenschaften des Normalen

Wenn ein Objekt auf einer ebenen Fläche ruht, ist die Normalkraft diejenige, die von der Oberfläche auf den Körper ausgeübt wird, und sie widersetzt sich der Kraft aufgrund der Schwerkraft gemäß dem Newtonschen Wirkungs- und Reaktionsgesetz.

Die Normalkraft wirkt immer senkrecht zur Oberfläche. Auf einer geneigten Oberfläche nimmt die Normale mit zunehmendem Neigungswinkel ab und zeigt in senkrechter Richtung von der Oberfläche weg, während das Gewicht vertikal nach unten zeigt. Die Gleichung der Normalkraft auf eine geneigte Fläche lautet:

θ = Neigungswinkel der Kontaktfläche.

Reibung in der geneigten Ebene

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

Wenn die aufgebrachte Kraft zunimmt, nähert sie sich dem Maximalwert der Reibungskraft, wobei dieser Wert der statischen Reibungskraft entspricht. Wenn F = F _{re ist} , beträgt die Haftreibungskraft:

Und der Haftreibungskoeffizient wird durch die Tangente des Neigungswinkels θ erhalten.

Gelöste Übungen

-Friktionskraft eines auf einer horizontalen Fläche ruhenden Objekts

Eine 15-kg-Box, die auf einer horizontalen Fläche platziert ist, wird von einer Person geschoben, die eine Kraft von 50 Newton entlang einer Oberfläche ausübt, um sie zu bewegen, und dann eine Kraft von 25 N aufbringt, um die Box mit einer konstanten Geschwindigkeit in Bewegung zu halten. Bestimmen Sie die statischen und kinetischen Reibungskoeffizienten.

Box bewegt sich auf horizontaler Fläche

Lösung: Mit dem Wert der Kraft, die zum Bewegen der Box ausgeübt wird, wird der Haftreibungskoeffizient μ _{e erhalten} .

Die Normalkraft N auf die Oberfläche entspricht dem Gewicht der Box, also N = mg

In diesem Fall ist μ _e = 50New / 147New

Die Kraft, die angewendet wird, um die Geschwindigkeit des Kastens konstant zu halten, ist die kinetische Reibungskraft, die gleich 25New ist.

Der kinetische Reibungskoeffizient wird mit der Gleichung μ _c = F _rc / N erhalten

- Reibungskraft eines Objekts unter Einwirkung einer Kraft mit einem Neigungswinkel

Ein Mann übt eine Kraft auf eine 20-kg-Box mit einem Aufbringungswinkel von 30 ° in Bezug auf die Oberfläche aus, auf der sie ruht. Wie groß ist die Kraft, die zum Bewegen der Box ausgeübt wird, wenn der Reibungskoeffizient zwischen der Box und der Oberfläche 0,5 beträgt?

Lösung: Das Freikörperdiagramm zeigt die aufgebrachte Kraft und ihre vertikalen und horizontalen Komponenten.

Freikörperdiagramm

Die aufgebrachte Kraft bildet mit der horizontalen Fläche einen Winkel von 30 °. Die vertikale Komponente der Kraft erhöht die Normalkraft, die die Kraft der Haftreibung beeinflusst. Die Box bewegt sich, wenn die horizontale Komponente der ausgeübten Kraft den Maximalwert der Reibungskraft F _re überschreitet . Das Gleichsetzen der horizontalen Kraftkomponente mit der statischen Reibung ergibt:

normale Stärke

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

Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ist die Summe der auf die Box auf der vertikalen Achse wirkenden Kräfte Null, daher ist die vertikale Beschleunigungskomponente a _y = 0. Die Normalkraft ergibt sich aus der Summe

Durch Einsetzen der Gleichung in die Gleichung wird Folgendes erhalten:

-Fiktion in einem fahrenden Fahrzeug

Ein 1,5-Tonnen-Fahrzeug fährt auf einer geraden und horizontalen Straße mit einer Geschwindigkeit von 70 km / h. Der Fahrer sieht in einer bestimmten Entfernung Hindernisse auf der Straße, die ihn zwingen, scharf zu bremsen. Nach dem Bremsen rutscht das Fahrzeug kurz, bis es zum Stillstand kommt. Wenn der Reibungskoeffizient zwischen Reifen und Straße 0,7 beträgt; Bestimmen Sie Folgendes:

1. Was ist der Wert der Reibung beim Schleudern des Fahrzeugs?
2. Fahrzeugverzögerung
3. Die vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke vom Bremsen bis zum Anhalten.

Die Reibungskraft des Fahrzeugs beim Schleudern beträgt:

= 10290 Neu

Abschnitt b

Die Reibungskraft beeinflusst die Verlangsamung des Fahrzeugs beim Schleudern.

Durch Anwendung des zweiten Newtonschen Gesetzes wird der Wert der Verzögerung durch Lösen nach der Gleichung F = ma erhalten

Abschnitt c

Die Anfangsgeschwindigkeit des Fahrzeugs beträgt v ₀ = 70 km / h = 19,44 m / s

Wenn das Fahrzeug anhält, beträgt seine Endgeschwindigkeit v _f = 0 und die Verzögerung a = - 6,86 m / s ²

Die vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke vom Bremsen bis zum Anhalten wird durch Auflösen nach d aus der folgenden Gleichung erhalten:

Das Fahrzeug legt vor dem Anhalten eine Strecke von 27,54 m zurück.

1. Berechnungen des Reibungskoeffizienten unter elastischen Kontaktbedingungen. Mikhin, N. M. 2, 1968, Soviet Materials Science, Vol. 4, pp. 149-152.
2. Blau, P. J. Friction Science and Technology. Florida, USA: CRC Press, 2009.
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5. Bhushan, B. Prinzipien und Anwendungen der Tribologie. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, CS und Purohit, K. Theorie der Mechanismen und Maschinen. Neu-Delhi: Prentice Hall of India, 2006.