Temat 10: Tarcie i prawa tarcia
10.1.Wstęp
Tarciem zewnętrznym (krótko: tarciem) nazywa się całokształt zjawisk, występujących między stykającymi
się ciałami stałymi, spowodowanych działaniem siły normalnej dociskającej
te ciała oraz siły stycznej przemieszczających je względem siebie (tarcie kinetyczne) bądź
też usiłujących je przemieŚcić (tarcie statyczne). Są więc
one siłami biernymi i składowymi reakcji, które wystąpią dla zachowania
równowagi stykających się ciał.
W zjawiskach tarcia ciał stałych biorą w istocie
rzeczy trzy ciała: powierzchniowe i podpowierzchniowe obszary materiału
trących się ciał oraz Środowisko, w którym
przebiega tarcie.
Przyczyną powstawania sił tarcia jest chropowatoŚć powierzchni ciał, które pod wpływm obciążeń zewnętrznych
wykazują tendencję do przesunięcia się względem siebie. Jeżeli wzartoŚć liczbowa chropowatoŚci
maleje (wpływ obróbki mechanicznej i smarowania), to również maleją siły
tarcia, stając się równe zeru w przypadku powierzchni idealnie gładkich.
Z tego względu tarcie dzieli się na tarcie: czyste, suche, graniczne, półsuche, półpłynne, płynne.
Tarcie dzieli się również w zależnoŚci od charakteru ruchu między trącymi sie ciałami
na: tarcie slizgowe (suwne), tarcie toczenia
(toczne), tarcie wiercenia (wiertne).
Tarcie powoduje
dwa ważne dla techniki skutki: opór względnego przemieszczania (siłę tarcia)
i zużywanie trących się ciał. Siła tarcia jest w parach ruchowych czynnikiem
szkodliwym, powodującym starty energii. W wielu przypadkach jest ona jednak
również pożytecznie wykorzystywana w celu: sprzęgania, hamowania, uzyskania
przyczepnoŚci (taŚmociągi,
hamulce, maszyny wyciągowe w kopalniach, koła napędzające pojazdy kołowe
itp.).
Z energetycznego punktu widzenia tarcie jest
procesem, w którym następuje przemiana energii kinetycznej lub pracy sił
utrzymującej trące się ciała w ruchu ustalonum w inne postacie energii
(cieplną, elektryczną, energię fal dźwiękowych itp.).
Cechą charakterystyczną tarcia jest to, że
przyczyny jego należą do zakresu mechaniki, a skutki znajdują się również
w innych działach fizyki.
Mechanicznym efektem procesu tarcia jest siła
tarcia i Ścieranie powierzchni. Pojęcie "tarcia
spoczynkowego" odnosi się nie do samego procesu tarcia, a do granicznego
stanu układu.
W mechanice technicznej wprowadzamy schematyzację
procesu tarcia i charakteryzujemy go siłą tarcia spoczynkowego lub ruchowego.
10.2.Tarcie statyczne. Siła tarcia
statycznego
Siła tarcia statycznego
jest to reakcja styczna (styczna składowa całkowitej reakcji), przeciwstawiająca
się przesunięciu ciał względem siebie.
Ogólnie zatem siłę tarcia można zdefiniować jako
siłę oporu, zapobiegającą ruchowi, który by powstał gdyby tarcia nie było.
Jest więc to siła bierna, która wystąpi dla zachowania równowagi stykających
się ciał.
ZalężnoŚć między
graniczną wartoŚcią siły tarcia, a naciskiem
N okreŚlają prawa tarcia,
ustalone na podstawie wielu doŚwiadczeń wykonanych
przez Coulomba i Morena dla różnego rodzaju stykających się powierzchni.
1. Siła tarcia jest niezależna od wielkoŚci powierzchni stykających się ze sobą ciał i zlaeży
jedynie od
ich rodzaju,
2.WartoŚć siły
tarcia dla ciała znajdującego się w spoczynku może zmienić się od zera do
granicznej
wartoŚci,
proporcjonalnej do całkowitego nacisku normalnego,
3. W przypadku, gdy ciało Ślizga się po
pewnej powierzchni, siła tarcia jest zawsze skierowana przeciwnie
do kierunku ruchu i jest mniejsza od granicznej wartoŚci.
Na podstawie tych praw można okreŚlić zależnoŚci między
siłą tarcia T, a naciskiem normalnym N.
Największa wrtoŚć
siły przesuwającej, która przy danym nacisku jeszcze nie naruszy stanu
względnego spoczynku, jest równa tak zwanej rozwiniętej siły tarcia statycznego
Tst.max (rys. 10.1).
Pytania i ćwiczenia sprawdzające
1. Wymienić prawa tarcia sformułowane przez
Coulomba i Morena.
2. Tarcie kinetyczne a statyczne.
3. Podać definicję siły tarcia statycznego.
4. Kiedy ciała pozostają w stanie równowagi
względnej (tarcie statyczne)?
5. Co to jest kąt tarcia?
6. Co to jest stożek tarcia?
Ćwiczenia:
1. Wyznaczyć minimalną wartoŚć siły
P przyłożonej do ciała A, aby układ pokazany na rys.
10.5 był w równowadze. Dane: G = 200N, Q = 1000N, µ = 0,2 ,
(pominąć tarcie prowdnicy C z
ciałem B).
Odpowiedź: P = 28N.