Zrozumieć tarcie
Niedawno poproszono mnie o zdiagnozowanie problemu dotyczącego instalacji, która zbytnio się nagrzewała ze względu na nadmierne tarcie. Jest to często spotykany problem, dlatego warto poznać czynniki, które go wywołują. W tym wpisie wyjaśnię, w jaki sposób powstaje tarcie i jak można je zmierzyć.
Definicja tarcia
Tarcie to opór, który występuje, gdy dwa materiały ocierają się o siebie. Nie zawsze jest ono problemem, wręcz przeciwnie – tarcie często stanowi istotny element generowania ruchu. Siła wymagana, aby obiekt zaczął się przesuwać, nieznacznie przewyższa siłę wymaganą do utrzymania go w miejscu, w związku z tym mówimy zarówno o tarciu statycznym, jak i kinetycznym.
Poniżej prezentujemy krótką listę kluczowych czynników mających wpływ na rodzaj ruchu wytwarzanego przez tarcie.
m = masa [kg]: masa obiektów
Fn = siła normalna [N]: siła, z jaką materiał oddziałuje na powierzchnię podłoża.
Fa = siła napędowa [N]: siła poruszająca materiał względem powierzchni podłoża (siła aktywna).
Ff = siła tarcia [N]: siła umożliwiająca potencjalny opór dla ruchu obiektu po powierzchni podłoża (siła reaktywna)
g = 9,81 m/s2 (przyspieszenie ziemskie; wartość używana do konwertowania masy w kilogramach na siłę w niutonach)
Przyczyny tarcia
Przyczyną tarcia jest zwykle szorstka powierzchnia obiektów stykających się ze sobą. Ogólnie mówiąc, im bardziej szorstka jest powierzchnia, tym większe jest tarcie. W przypadku, gdy obie powierzchnie staną się idealnie gładkie, istotną rolę zaczyna odgrywać przyciąganie cząsteczkowe, które często staje się silniejsze niż tarcie mechaniczne. Jest tak głównie w przypadku miękkich materiałów, takich jak guma i inne elastyczne tworzywa sztuczne. Miękkie materiały ulegają zniekształceniu pod wpływem nacisku, a zniekształcenie materiału również może powodować zwiększenie tarcia.
Współczynnik tarcia
Współczynnik tarcia (m) to iloraz siły tarcia (FF) i siły normalnej (FN):
Współczynnik ten jest również nazywany prawem tarcia Coulomba (od nazwiska francuskiego fizyka, żyjącego w latach 1726–1806). Choć współczynnik tarcia nie ma jednostki miary (iloraz siły i siły), prawo to można z łatwością zweryfikować. Wystarczy pociągnąć obiekt (np. książkę) za pomocą wagi sprężynowej po czystej powierzchni i odczytać siłę tarcia (FA). Następnie należy powtórzyć ten pomiar, używając dwukrotnie większego obciążenia (np. dwóch książek), a okaże się, że siła tarcia została podwojona.
Metoda pomiaru współczynnika tarcia
Przy użyciu wagi sprężynowej można z łatwością zmierzyć przybliżony współczynnik tarcia między taśmą transportującą a inną powierzchnią. Istnieje uzasadniona prawami fizyki metoda prawidłowa (przykład a) oraz metoda „nieprawidłowa”, mająca jednak zastosowanie w praktyce (przykład b).
a) Przykład fizycznie prawidłowej metody
Masa obiektu m = 1 kg (jednostka masy to kg)
Zmierzona siła tarcia FA = 4,9 N (jednostka siły to niutony)
b) Przykład „nieprawidłowej” metody mającej zastosowanie w praktyce
Masa obiektu m = 1 kg (jednostka masy to kg)
Zmierzona siła tarcia FA = 0,5 N (jednostką siły są niutony)
Zasady ogólne
Poniżej przedstawiono kilka ogólnych zasad dotyczących tarcia i proste testy, które można przeprowadzić, eksperymentując z natężeniem oporu.
Zasada 1:
Współczynnik tarcia zawsze zależy od obu stykających się powierzchni (skład materiału, szorstkość powierzchni).
Test: Potrzyj z jednakową siłą różne obiekty, np. gumkę, paczkę papierosów, monetę, próbkę taśmy transportującej o różne powierzchnie, np. o stół, okno, kawałek szorstkiej tkaniny – odczuwalny opór będzie się znacznie różnił!
Zasada 2:
Współczynnik tarcia w dużej mierze zależy od właściwości powierzchni (czystość, wilgotność).
Test: Potrzyj dwa obiekty z jednakową siłą. Najpierw spróbuj to zrobić, gdy powierzchnie są suche, a następnie powtórz czynność po naniesieniu na nie kilku kropel wody – poczujesz inny opór!
Zasada 3:
Współczynnik tarcia nie ma związku z wielkością powierzchni styku między dwoma obiektami.
Test: Po jednej powierzchni przesuwaj za pomocą wagi sprężynowej obiekty o takiej samej masie, wykonane z takiego samego materiału, ale o różnych wielkościach podstawy – siła tarcia będzie taka sama!
Jak można zauważyć, tarcie bywa tematem dosyć złożonym pod względem technicznym, ale mam nadzieję, że ten wpis pomógł zrozumieć podstawy tego zjawiska. Jeśli masz dodatkowe pytania, skontaktuj się z nami, a z przyjemnością udzielimy Ci wszelkich informacji.
