Trintis yra fizinis reiškinys, su kuriuo žmogus kovoja, siekdamas ją sumažinti bet kuriose besisukančiose ir slankiojančiose mechanizmų dalyse, be kurios bet kurio iš šių mechanizmų judėjimas neįmanomas. Šiame straipsnyje fizikos požiūriu nagrinėsime, kokia yra riedėjimo trinties jėga.
Kokių tipų trinties jėgos egzistuoja gamtoje?
Pirmiausia apsvarstykite, kokią vietą riedėjimo trintis užima tarp kitų trinties jėgų. Šios jėgos atsiranda dėl dviejų skirtingų kūnų sąlyčio. Tai gali būti kieti, skysti arba dujiniai kūnai. Pavyzdžiui, orlaivio skrydį troposferoje lydi trintis tarp jo kūno ir oro molekulių.
Atsižvelgdami į išskirtinai kietus kūnus, išskiriame poilsio, slydimo ir riedėjimo trinties jėgas. Kiekvienas iš mūsų pastebėjo: norint nustumti dėžę ant grindų, reikia išilgai grindų paviršiaus pritaikyti tam tikrą jėgą. Jėgos, kuri iškels dėžes iš ramybės, vertė absoliučia verte bus lygi poilsio trinties jėgai. Pastarasis veikia tarp dėžutės apačios ir grindų paviršiaus.
KaipKai dėžė pradeda judėti, turi būti taikoma nuolatinė jėga, kad šis judėjimas būtų vienodas. Šis faktas yra susijęs su tuo, kad tarp grindų ir dėžutės kontakto slydimo trinties jėga veikia pastarąją. Paprastai ji yra keliomis dešimtimis procentų mažesnė už statinę trintį.
Jei po dėže padėsite apvalius cilindrus iš kietos medžiagos, ją perkelti bus daug lengviau. Riedėjimo trinties jėga veiks cilindrus, besisukančius judėjimo po dėže procese. Paprastai jis yra daug mažesnis nei ankstesnės dvi jėgos. Štai kodėl žmonijos išradimas ratą buvo didžiulis šuolis į pažangą, nes žmonės sugebėjo perkelti daug didesnius krovinius su maža jėga.
Fizinė riedėjimo trinties prigimtis
Kodėl atsiranda riedėjimo trintis? Šis klausimas nėra lengvas. Norint į jį atsakyti, reikėtų detaliai apsvarstyti, kas nutinka ratui ir paviršiui riedėjimo metu. Visų pirma, jie nėra idealiai lygūs – nei rato paviršius, nei paviršius, kuriuo jis rieda. Tačiau tai nėra pagrindinė trinties priežastis. Pagrindinė priežastis – vieno arba abiejų kūnų deformacija.
Bet kokie kūnai, nesvarbu, iš kokios kietos medžiagos jie pagaminti, deformuojasi. Kuo didesnis kūno svoris, tuo didesnį spaudimą jis daro ant paviršiaus, vadinasi, jis pats deformuojasi sąlyčio taške ir deformuoja paviršių. Ši deformacija kai kuriais atvejais yra tokia maža, kad neviršija tamprumo ribos.
Brato riedėjimo metu, nutrūkus sąlyčiui su paviršiumi, deformuotos vietos atkuria pradinę formą. Nepaisant to, šios deformacijos cikliškai kartojasi su nauju rato apsisukimu. Bet kokia ciklinė deformacija, net jei ji yra elastingumo ribose, yra lydima histerezės. Kitaip tariant, mikroskopiniame lygmenyje skiriasi kūno forma prieš ir po deformacijos. Deformacijos ciklų histerezė rato riedėjimo metu lemia energijos „sklaidymą“, kuri praktiškai pasireiškia riedėjimo trinties jėgos atsiradimu.
Tobulas kūno valymas
Po idealaus kūno šiuo atveju turime omenyje, kad jis nedeformuojasi. Idealaus rato atveju jo sąlyčio su paviršiumi plotas yra lygus nuliui (jis liečia paviršių išilgai linijos).
Apibūdinkime jėgas, kurios veikia nedeformuojamą ratą. Pirma, tai dvi vertikalios jėgos: kūno svoris P ir atramos reakcijos jėga N. Abi jėgos praeina per masės centrą (rato ašį), todėl nedalyvauja kuriant sukimo momentą. Jiems galite parašyti:
P=N
Antra, tai yra dvi horizontalios jėgos: išorinė jėga F, kuri stumia ratą į priekį (jis eina per masės centrą), ir riedėjimo trinties jėga fr. Pastarasis sukuria sukimo momentą M. Jiems galite parašyti tokias lygybes:
M=frr;
F=fr
Čia r yra rato spindulys. Šiose lygybėse yra labai svarbi išvada. Jei trinties jėga fr yra be galo maža, tada jivis tiek sukurs sukimo momentą, dėl kurio ratas judės. Kadangi išorinė jėga F yra lygi fr, tai bet kokia be galo maža F reikšmė privers ratą riedėti. Tai reiškia, kad jei riedantis korpusas yra idealus ir judant nedeformuojasi, tada apie jokią riedėjimo trinties jėgą kalbėti nereikia.
Visi esami kūnai yra tikri, tai yra, jie deformuojasi.
Tikras kūno riedėjimas
Dabar apsvarstykite aukščiau aprašytą situaciją tik tikrų (deformuojamų) kūnų atveju. Rato ir paviršiaus sąlyčio plotas nebebus lygus nuliui, jis turės tam tikrą baigtinę reikšmę.
Išanalizuokime jėgas. Pradėkime nuo vertikalių jėgų veikimo, tai yra, atramos svorio ir reakcijos. Jie vis dar yra lygūs vienas kitam, t.y.:
N=P
Tačiau jėga N dabar veikia vertikaliai į viršų ne per rato ašį, o šiek tiek pasislenka nuo jos atstumu d. Jei rato sąlyčio su paviršiumi plotą įsivaizduosime kaip stačiakampio plotą, tai šio stačiakampio ilgis bus rato storis, o plotis lygus 2d.
Dabar pereikime prie horizontalių jėgų svarstymo. Išorinė jėga F vis tiek nesukuria sukimo momento ir yra lygi trinties jėgai fr absoliučia verte, tai yra:
F=fr.
Jėgų, vedančių į sukimąsi, momentas sukurs trintį frir atramos N reakciją. Be to, šie momentai bus nukreipti skirtingomis kryptimis. Atitinkama išraiška yratipas:
M=Nd - frr
Tolygaus judėjimo atveju momentas M bus lygus nuliui, todėl gauname:
Nd – frr=0=>
fr=d/rN
Paskutinę lygybę, atsižvelgiant į aukščiau parašytas formules, galima perrašyti taip:
F=d/rP
Tiesą sakant, mes gavome pagrindinę riedėjimo trinties jėgos supratimo formulę. Toliau straipsnyje mes jį analizuosime.
Pasipriešinimo riedėjimui koeficientas
Šis koeficientas jau buvo pateiktas aukščiau. Taip pat buvo pateiktas geometrinis paaiškinimas. Mes kalbame apie d vertę. Akivaizdu, kad kuo didesnė ši vertė, tuo didesnis momentas sukuria atramos reakcijos jėgą, kuri neleidžia ratui judėti.
Pasipriešinimo riedėjimui koeficientas d, priešingai nei statinės ir slydimo trinties koeficientai, yra matmenų vertė. Jis matuojamas ilgio vienetais. Lentelėse jis dažniausiai nurodomas milimetrais. Pavyzdžiui, traukinio ratams, riedantiems ant plieninių bėgių, d=0,5 mm. D reikšmė priklauso nuo dviejų medžiagų kietumo, rato apkrovos, temperatūros ir kai kurių kitų veiksnių.
Riedėjimo trinties koeficientas
Nepainiokite su ankstesniu koeficientu d. Riedėjimo trinties koeficientas žymimas simboliu Cr ir apskaičiuojamas pagal šią formulę:
Cr=d/r
Ši lygybė reiškia, kad Cr yra bedimensijos. Būtent ji pateikiama daugelyje lentelių, kuriose yra informacijos apie nagrinėjamą trinties tipą. Šį koeficientą patogu naudoti atliekant praktinius skaičiavimus,nes tai nereiškia, kad reikia žinoti rato spindulį.
Cr reikšmė daugeliu atvejų yra mažesnė už trinties ir ramybės koeficientus. Pavyzdžiui, automobilių padangoms, judančioms asf altu, Cr reikšmė yra kelių šimtųjų dalių (0,01–0,06) ribose. Tačiau jis žymiai padidėja, kai padangos nuleistos ant žolės ir smėlio (≈0,4).
Gautos jėgos fr
formulės analizė
Parašykime dar kartą aukščiau pateiktą riedėjimo trinties jėgos formulę:
F=d/rP=fr
Iš lygybės išplaukia, kad kuo didesnis rato skersmuo, tuo mažesnė jėga F turėtų būti taikoma, kad jis pradėtų judėti. Dabar šią lygybę įrašome per koeficientą Cr, turime:
fr=CrP
Kaip matote, trinties jėga yra tiesiogiai proporcinga kūno svoriui. Be to, žymiai padidėjus svoriui P, keičiasi ir pats koeficientas Cr (jis didėja dėl d padidėjimo). Daugeliu praktinių atvejų Cr yra kelių šimtųjų dalių ribose. Savo ruožtu slydimo trinties koeficiento reikšmė svyruoja per kelias dešimtąsias. Kadangi riedėjimo ir slydimo trinties jėgų formulės yra tos pačios, energijos požiūriu riedėjimas yra naudingas (jėga fr yra eilės tvarka mažesnė už slydimo jėgą dauguma praktinių situacijų).
Redėjimo sąlyga
Daugelis iš mūsų yra susidūrę su automobilio ratų slydimo problema važiuojant ant ledo ar purvo. Kodėl taivyksta? Pagrindinis atsakymas į šį klausimą yra riedėjimo ir poilsio trinties jėgų absoliučių verčių santykis. Dar kartą išrašykime riedėjimo formulę:
F ≧ CrP
Kai jėga F yra didesnė už riedėjimo trintį arba jai lygi, ratas pradės riedėti. Tačiau jei ši jėga anksčiau viršys statinės trinties vertę, ratas paslys anksčiau nei riedės.
Taigi, slydimo efektas nustatomas pagal statinės trinties ir riedėjimo trinties koeficientų santykį.
Būdai, kaip kovoti su automobilio ratų slydimu
Automobilio rato riedėjimo trintis ant slidžios dangos (pavyzdžiui, ant ledo) apibūdinamas koeficientas Cr=0,01-0,06. Tačiau ta pati tvarka būdinga statinės trinties koeficientui.
Siekiant išvengti ratų slydimo rizikos, naudojamos specialios „žieminės“padangos, į kurias įsukami metaliniai spygliai. Pastarieji, atsitrenkę į ledo paviršių, padidina statinės trinties koeficientą.
Kitas būdas padidinti statinę trintį – modifikuoti paviršių, kuriuo juda ratas. Pavyzdžiui, pabarsčius jį smėliu arba druska.
