5. Wybrane zagadnienia z dynamiki
• Spis treści  
• Siły bezwładności  
•   Zasady dynamiki Newtona

5.1 Siły kontaktowe i tarcie

   Gdy dwa ciała są dociskane do siebie to występują między nimi siły kontaktowe. Źródłem tych sił jest odpychanie pomiędzy atomami. Przy dostatecznie małej odległości występuje przekrywanie chmur elektronowych i ich odpychanie rosnące wraz z malejącą odległością. Jest to siła elektromagnetyczna. Żeby prześledzić ten problem rozważmy następujący przykład.

Przykład

Dwa klocki o masach m₁ i m₂ umieszczono na gładkiej powierzchni. Do klocka m₁ przyłożono siłę F (tak jak na rysunku poniżej).

Rys. 5.1. Dwie masy pchane siłą F

Wprawdzie siła F jest przyłożona do klocka o masie m₁ ale nadaje przyspieszenie a obu klockom więc

Siła kontaktowa F_k z jaką klocek o masie m₁ działa na klocek o masie m₂ nadaje przyspieszenie klockowi m₂. Ponieważ klocek m₂ porusza się z przyspieszeniem a, więc siła kontaktowa wynosi

Oczywiście, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona klocek o masie m₂ działa na klocek o masie m₁ siłą reakcji -F_k.

Tarcie

   Siły kontaktowe, o których mówiliśmy są normalne (prostopadłe) do powierzchni. Istnieje jednak składowa siły kontaktowej leżąca w płaszczyźnie powierzchni. Jeżeli ciało pchniemy wzdłuż stołu to po pewnym czasie ciało to zatrzyma się. Z drugiej zasady dynamiki wiemy, że jeżeli ciało porusza się z przyspieszeniem  (opóźnieniem) to musi działać siła. Tę siłę, która przeciwstawia się ruchowi nazywamy siłą tarcia .
  Siła tarcia zawsze działa stycznie do powierzchni zetknięcia ciał i może istnieć nawet wówczas, gdy powierzchnie są nieruchome względem siebie. Żeby się o tym przekonać wystarczy wykonać proste ćwiczenie. Połóżmy na stole jakiś obiekt np. książkę i spróbujmy wprawić ją w ruch stopniowo zwiększając przykładaną siłę. Początkowo gdy siła jest "mała" obiekt nie porusza się. Oznacza to, że naszej sile F przeciwstawia się siła tarcia T równa co do wartości lecz przeciwnie do niej skierowana. Zwiększamy dalej siłę F, aż książka zacznie się poruszać. Zauważmy, że im gładsza powierzchnia tym szybciej to nastąpi. Siłę tarcia działającą między nieruchomymi powierzchniami nazywamy tarciem statycznym . Maksymalna siła tarcia statycznego T_s jest równa tej krytycznej sile, którą musieliśmy przyłożyć, żeby ruszyć ciało z miejsca.
Dla suchych powierzchni T_s spełnia dwa prawa empiryczne.

Stosunek maksymalnej siły T_s do siły nacisku F_N nazywamy współczynnikiem tarcia statycznego µ _s

Zwróćmy uwagę, że we wzorze (5.3) występują tylko wartości bezwzględne sił (a nie wektorowe) bo te siły są do siebie prostopadłe.

  Wiemy już, że gdy działająca siła F jest większa od T_s to ciało zostanie wprawione w ruch, ale nadal będzie istniała siła tarcia, tarcia kinetycznego T_k przeciwstawiająca się ruchowi. Siła T_k spełnia dodatkowo, oprócz dwóch wymienionych powyżej, trzecie empiryczne prawo

Istnieje, analogiczny do µ _s odpowiedni współczynnik tarcia kinetycznego µ_k

Dla większości materiałów µ_k jest nieco mniejszy od µ_s.

Tarcie jest bardzo złożonym zjawiskiem i jego wyjaśnienie wymaga znajomości oddziaływań atomów na powierzchni. Dlatego ograniczmy się do zauważenia, że tarcie odgrywa bardzo istotną rolę w życiu codziennym. Na przykład w samochodzie na pokonanie siły tarcia zużywa się około 20% mocy silnika. Tarcie powoduje zużywanie się trących powierzchni i dlatego staramy się je zmniejszać. Z drugiej strony wiemy, że bez tarcia nie moglibyśmy chodzić, jeździć samochodami, czy też pisać ołówkiem.

W przykładach pokazujących zastosowanie zasad dynamiki Newtona opisywaliśmy ruch ciał z punktu widzenia inercjalnych układów odniesienia to znaczy takich, w których ciało nie poddane działaniu sił pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Teraz zajmiemy się układami nieinercjalnymi i występującymi w nich siłami bezwładności.