26(2)

s| Kiczy uck

1

*i

Siły tarcia są nieodłącznym elementem naszej codzienności. Gdybyśmy nie p^j trafili im przeciwdziałać, zatrzymałyby każde poruszające sic ciało i nic pozwo. liłyby obracać się żadnemu wirnikowi. Samochód zużywa aż ok. 20% paliwa nj pokonanie sił tarcia w silniku i układzie przeniesienia napędu. Z drugiej jedrnA strony, gdyby tarcia zupełnie nie było, samochodem nigdzie byśmy nic dojechali nie moglibyśmy chodzić, ani jeździć rowerem. Nie dałoby się utrzymać p^' w ręku. a nawet gdyby to było możliwe, to i tak nie dałoby się pisać. Gwoździe • i wkręty byłyby bezużyteczne, tkaniny rozpadłyby się. a węzły by się rozwiązały Zajmiemy się teraz siłami tarcia działającymi między suchymi powierzchniami stałymi, pozostającymi względem siebie w spoczynku albo poruszającymi się z niewielka prędkością jedna względem drugiej. Rozważmy trzy proste doświadczenia myśl owe.

6.1. Tarcie

, l -	“1	j\7
	1	^/k

ruch

przyspieszony

c)

V /' .-L.	A'*	>
	1	r	— ruch
	J		^ zk zestala
		o •

czas

1.    Pchnij książkę, aby wprawić ją w ruch ślizgowy po stole. Zgodnie z oczekiwaniem książka będzie zwalniać i w końcu się zatrzyma. Oznacza to, że poruszała się ona /. przyspieszeniem, równoległym do powier/chni stołu i skierowanym przeciwnie do kierunku prędkości książki, /.godnie / drugą zasadą dynamiki Newtona, na książkę musiała więc działać siła równoległa do powierzchni slotu, o kierunku przeciwnym dc' kierunku prędkości. To jest właśnie siła tarcia.

2.    Pchaj poziomo książkę po stolo tak. aby poruszała się ze stalą prędkością. Czy wywierana przez ciebie siła jest jedyną silą d/ialąiącą na książkę? Nic, bo gdyby tak było. książka poruszałaby się ruchem przyspieszonym. Z drugiej zasady dynamiki Newtona wynika, że musi istnieć jeszcze inna siła. skierowana przeciwnie do lej. którą ty działasz, ale o takiej samej wartości, tak że tc dwie siły się równoważą. Ta druga siła to siła tarcia, równoległa do powierzchni stoki.

3.    Pchnij poziomo ciężką skrzynię. Skrzynia ani drgnie. Zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona na skrzynię działa jeszcze inna siła, przeciwdziałająca sile przykładanej przez ciebie. Co więcej, musi być ona skierowana przeciwnie do twojej siły i być jej równa co do wartości, tak aby tc siły się równoważyły. Ta druga siła to siła tarcia. Pchnij skrzynię mocniej. Skrzynia nadal pozostaje w miejscu. Jak widać, siła tarcia może zmieniać wartość, aby równoważyć różne siły. Wreszcie pchnij skrzynie z całej siły. Skrzynia zaczyna się ślizgać. Stwierdzamy zatem, że istnieje wartość maksymalna siły tarcia, po przekroczeniu której ciało zaczyna się ślizgać.

Rys. 6.1. a) Siły działające na klocek w spoczynku, b)—cl) Przyłożona do klocka sita zewnętrzna F jest równoważona przez siłę tarcia statycznego /_N. Gdy h rośnie, /, tató* wzrasta, aż do osiągnięcia pewnej wartości maksymalnej c) Klocek zaczyna się ślizgać pa stole, poruszając się ruchem przyspieszonym w kierunku siły F. f) Jeśli klocek ma się p°^rM* szać zc stałą prędkością, tu siłę F trzeba zmniejszyć w stosunku do wartości maksymalnej, która hyla potrzebna do wprawienia klocka w ruch. g) Wyniki doświadczeniu, wykonanego zgodnie ze schematem a)-f)

113

6. Siło i ruch II

Lfo ostatnie doświadczenie przedstawiono szczegółowo na rysunku 6.1. Na mku 6. la klocek spoczywa na stole, a działająca na niego siła ciężkości Fg, jest ^noważona przez siłę normalną N. Rysunek 6. !b odpowiada sytuacji, w której pałasz na klocek siłą F, starając się popchnąć go w lewą stronę. W odpowie-pojawia się siła tarcia /*, skierowana w prawo, która dokładnie równoważy siłę przyłożoną przez ciebie. Siłę /„ nazywamy siłą tarcia statycznego. Klocek pozostaje w spoczynku.

Na rysunkach 6. Ic i d pokazano, żc gdy zwiększasz wartość przykładanej do jdocka siły, wartość siły tarcia statycznego f_s także wzrasta i klocek nadal się nie porusza. Gdy jednak siła przyłożona do klocka osiąga pewną wartość graniczną, klocek zaczyna się ślizgać po stole i porusza się mchem przyspieszonym w lewo (rys. 6.1.c). Siłę tarcia, która przeciwdziała wówczas ruchowi ciała nazywamy siłą tarcia kinetycznego j\.

Wartość siły tarcia kinetycznego, działającej na ciało w ruchu jest zwykle mniejsza od maksymalnej wartości siły tarcia statycznego działającej, gdy ciało spoczywa. Jeśli zatem chcesz, aby klocek poruszał się po podłożu ze stałą prędkością, to po ruszeniu klocka z miejsca musisz zwykle zmniejszyć wartość przykładanej siły. jak nu rysunku 6.lf. Na rysunku 6.Ig pokazano jako przykład wyniki doświadczenia, w którym zwiększano stopniowo siłę przykładaną do klocka, aż do wprawienia go w ruch. Zauważ, że gdy klocek ruszono już z miejsca, do utrzymania go w ruchu ze stalą prędkością potrzebna była siła mniejsza od tej. przy której klocek zaczął się ślizgać.

Siła tarcia jest w istocie rzeczy sumą wektorową w ielu sił działających między atomami na pmcicr/chni jednego i drugiego ciała. Gdy dwie bardzo starannie wypolerowane i bardzo czyste powierzchnie metaliczne zetkniemy ze sobą w wysokiej próżni (aby zachować ich czystość), wówczas nie można uzyskać ich poślizgu względem siebie. Powierzchnie su bardzo gładkie, więc wiele atomów jednej i drugiej powierzchni znajduje się bardzo blisko siebie t obydwu kawałki metalu zostają zc sobą ..zrs/Hiwww net zimno", tworząc jeden kawałek metalu. Gdy zetkniemy zc sobą w powietrzu specjalnie wypolerowane klocki wzorcowe stosowane w warsztatach mechanicznych, w bezpośredniej bliskości znajduje się mniejsza liczba atomów obydwu powierzchni, niemniej jednak klocki trzymają się bardzo mocno i do oderwania ich od siebie potrzebne jest zwykle ich obrócenie, jak np. przy odkręcaniu nakrętki. Zwykle jednak zbliżyć się do siebie może bardzo niewiele atomów dwóch powierzchni. Nawet bardzo dobrze wypolerowane powierzchnie metaliczne nie są płaskie w skali atomów. Ponadto powierzchnie przedmiotów codziennego użytku są pokryte warstwą tlenków i innych zanieczyszczeń. które utrudniają zespawanic się zc sobą na zimno tych powierzchni.

Gdy stykamy zc sobą dwie zwykle powierzchnie, tylko najwyższe punkty powierzchni są bliskie siebie (to tak, jak gdyby Alpy Szwajcarskie obrócić do góry nogami i postawić na Alpach Austriackich). Powierzchnia rzeczywistego kontaktu mikroskopowego obydwu powierzchni jesl znacznie mniejsza od powierzchni pozornego kontaktu makroskopowego, nawet i 10000 razy. Niemniej jednak w wielu punktach styku powierzchni zachodzi ich spawanie na zimno. Właśnie to punktowe połączenie ze sobą powierzchni jest źródłem tarcia statycznego, gdy staramy się przesunąć jedną powierzchnię względem drugiej.

ó. 1. Tarcie