27(2)

Jfóż

b)

Rys. 6.2. Mechanizm poślizgowego. a) Powierzchnia górna ślizga się po dolnej w prawą stronę. b) Po-\vjęks/on\ widok liaginoniii nl»\<hui powierzchni. pokazujący dwa miejsca, w których nastąpiło ich zcspawanic na zimno. Aby rozerwać połączenia powierzchni i uir/.ymać ich tuch względem siebie, potrzebna jest pewna siki

Jeśli przyłożona siła jest dostatecznie duża, aby przesunąć powierzchnie względem siebie, to najpierw występuje zerwanie połączeń powierzchni (g<j_y zaczynają się one poruszać względem siebie), a potem ciągłe tworzenie się i _r02. j rywanie połączeń, gdy powierzchnie ślizgają się po sobie i różne punkty p_c. \ wierzchni stykają się ze sobą (rys. 6.2). Siła tarcia kinetycznego /_k. utrudniająca ruch powierzchni względem siebie, jest sumą wektorową sił występujących w po. j szczególnych punktach styku.

Jeśli powierzchnie zostaną ściśnięte silniej, to zespawanie na zimno nastąpi ’ w znacznie większej liczbie punktów. Uzyskanie poślizgu powierzchni wzgię, ' dem siebie wymagać więc będzie większej siły, tzn. wartość maksymalna siły tarcia statycznego /_s będzie większa, (idy powierzchnie zaczną się po sobie śjj. /gać, chwilowe spawanie na zimno będzie także występować w większej liczbie punktów, a zatem i siła tarcia kinetycznego J\ będzie miała większą wartość,

Ruch ślizgowy jednej powierzchni po drugiej ma często charakter skokowy, ponieważ powierzchnie na przemian lepiej i gorzej stykają się ze sobą. Takim powtarzającym się skokom mogą towarzyszyć efekty akustyczne (np. piszczenie lub skrzypienie), jak przy ostrym hamowaniu samochodu na suchej jezdni, zadrapaniu tablicy szkolnej paznokciem, czy ruchu zardzewiałych zawiasów. Nie zawsze muszą to być dźwięki niemiłe - przy umiejętnym pociągnięciu smyczkiem struny skrzypiec uzyskuje się bardzo piękne dźwięki.

6.2. Właściwości tarcia

Z doświadczeniu wynika, że gdy suche ciało naciska na suchą powierzchnię pod nieobecność smaru, a siła zewnętrzna /•' stara się nadać ciału ruch ślizgowy po powierzchni, występuje siła tarcia, która ma następujące właściwości:

Właściwość 1. Jeśli ciało się nic porusza, to siła tarcia statycznego J_s oraz składowa siły F równoległa do powierzchni, się równoważą. Siły te mają jednakową wartość, a siła J\ jest skierowana przeciwnie do składowej równoległej siły F.

Właściwość 2. Maksymalna wartość siły /_s. którą oznaczymy /v„_UlX.-dana jest wzorem:

/>.««, = ikN.    (6.1)

przy czym //_N jest współczynnikiem tarcia statycznego, a A' jest wartością siły normalnej, działającej na ciało ze strony powierzchni. Jeśli wartość składowej siły /•'. która jest równoległa do powierzchni, przekracza wartość /_s._niilA, ło ciało zaczyna się ślizgać po tej powierzchni.

Właściwość 3. Jeśli ciało zaczyna się ślizgać po powierzchni, to wartość siły tarcia gwałtownie maleje do wartości A równej:

A=MfcA'.    (6.2)

przy czym jest współczynnikiem tarcia kinetycznego. Później, gdy ciało już się ślizga, jego ruchowi przeciwdziała siła tarcia kinetycznego j\ o wartości danej równaniem (6.2).

Wartość siły normalnej N, o której mowa we właściwościach 2 i 3, jest ^jiarą nacisku ciała na powierzchnię. Jeśli nacisk ten jest większy, lo — na mocy ^fjżeciej zasady dynamiki Newtona — N jest większe. W punktach l i 2 mowa o jednej sile zewnętrznej F, lecz zawarte w nich stwierdzenia są słuszne jakże dla wypadkowej wielu sil działających na ciało. Równania (6.1) i (6.2) _ni_e są równaniami wektorowymi; kierunki sił /_s i fy są zawsze równoległe ^ powierzchni i przeciwne do kierunku, w którym ma się ślizgać ciało, a siła ^jntialna N jest prostopadła do powierzchni.

Współczynniki i ny są bezwymiarowe, a ich wartości wyznaczamy doświadczalnie. Zależą one od właściwości zarówno ciała, jak i powierzchni, wobec czego podając ich wartości używamy zwykle słowa „między", jak w zdaniu: „wartość ns między jajkiem a patelnią, pokrytą teflonem, wynosi 0.04. lecz między butami do wspinaczki u skałą może być równa nawet 1,2”. Będziemy zakładać, że wartość fiy nic zależy od prędkości, z jaką ślizga się ciało po powierzchni.

/SPRAWDZIAN l : Klocek leży tui podłodze, a; .laka jest wartość siły tania działającej . na klocek ze strony podłogi? b) Jaka jest wartość tej siły |>o przyłożeniu <lo klocka siły : poziomej o wartości 5 N. przy czym klocek się nie porusza? c> Wartość maksymalna siły tarcia statycznego wynosi 10 N. C'/y klocek zostanie wprawiony w ruch siłą imziomą n wartości 8 N? dł Czy klocek z punktu tej wprawi w ruch .siła po/iuma o wartości 12 cł Jaka jest wartość siły tarcia w przypadku te)?

(6.4)

Przykład 6.1

Jeśli podczas hamowania awaryjnego koła samochodu /ostają /n blokowane (tzn. nic obracają się), lo pojazd ślizga się |h> szosie. Z oderwanych od opony kawałków gumy i małych stopionych elementów nawierzchni powstają ślady hamowania na jezdni, świadczące o tym, że podczas poślizgu zachodzi spawanie na zimno. Rekordowej długości ślady łiauiowania na drodze publicznej za notowano w 1960 roku, gdy samochód marki Jaguar pozostawił na autostradzie Ml w' Ąnglii ślady o długości 290 m (rys. 6.3a)! Wyznacz prędkość tego samochodu w chwili zablokowania kół. zakładając, żc jogo przyspieszenie w czasie hamowania było stałe, a n_K = 0,6.

rozwiązania

O—* 1. Przyspieszenie pojazdu było stale, dlatego też w celu znalezienia prędkości początkowej t’o możemy skorzystać ?• równań z tabeli 2.1. na przykład / równania (2.16):

tr - i»* + 2r/(.t - vo).    (6.3)

przy czym przyjęliśmy, żc samochód poruszał się w dodatnim kierunku osi x. Wiemy, żc przemieszczenie x — wyniosło 290 m. ^a prędkość końcowa v była równa zeru. Chcemy wyznaczyć wartość uo. Nic znamy jednak przyspieszenia a pojazdu.

Aby znaleźć a zauważmy, żc:

2. Jeśli pominiemy opór powietrza, to jedyną siłą powożącą przyspieszenie u będzie siła tarcia kinetycznego J\, dzia łająca na samochód zc strony jezdni, skierowana przeciwnie do kierunku ruchu pojazdu (rys 6.3b). Związek tej siły / przyspieszeniem znajdziemy z drugiej zasady dynamiki Newtona dla składowych a (/\.yp,, nut,,). mianowicie:

-A -

u = 0

2    iw.

--...........290 nr-----

a)

y

ii .v

/— samochód ------------_A-

A

b)

Rys. 6.3. Przykład 6.1. a) Samochód jadący w prawo wpada w poślizg i zatrzymuje się po przebyciu drogi 290 m. b) Diagram sił dla tego samochodu

121

6.2. Właściwości tarcia