KITKA: TYYPIT, KERROIN, LASKENTA, HARJOITUKSET - FYYSINEN - 2026

Kitka on vastus liike pinnan ollessa kosketuksissa toiseen. Se on pinta-ilmiö, joka tapahtuu kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten materiaalien välillä. Kahden kosketuksessa olevan pinnan tangentiaalista vastusvoimaa, joka vastustaa mainittujen pintojen välisen suhteellisen siirtymisen suuntaa, kutsutaan myös kitkavoimeksi tai kitkavoimeksi F _r.

Kiinteän kappaleen siirtämiseksi pinnalle on kohdistettava ulkoinen voima, joka voi voittaa kitkan. Kun vartalo liikkuu, kitkavoima vaikuttaa vartaloon, hidastaen sitä ja voi jopa pysäyttää sen.

Kitka

Kitkavoima voidaan esittää graafisesti pinnan kanssa kosketuksessa olevan rungon voimakaaviona. Tässä kaaviossa kitkavoima F _r on piirretty pintaan tangentiaalisesti runkoon kohdistetun voiman komponentin kanssa.

Kosketuspinta kohdistaa kehoon reaktiovoiman, jota kutsutaan normaaliksi voimaksi N. Joissain tapauksissa normaali voima johtuu vain ruumiin painosta P, joka lepää pintaan, ja toisissa tapauksissa se johtuu muista kohdistuvista voimista kuin painovoimasta.

Kitka syntyy, koska kosketuksessa olevien pintojen välillä on mikroskooppisia epätasaisuuksia. Yritettäessä siirtää pintaa toisen yli, kitka syntyy epätasaisuuksien välillä, jotka estävät vapaata liikettä rajapinnalla. Energiamenetykset puolestaan ​​tapahtuvat lämmön muodossa, jota ei käytetä kehon liikuttamiseen.

Kitkatyypit

Kitkaa on kahta päätyyppiä: coulomb-kitka tai kuiva kitka ja nestekitka.

-Coulomb-kitka

Coulomb-kitka vastustaa aina kappaleiden liikettä ja on jaettu kahteen kitkaan: staattinen kitka ja kineettinen (tai dynaaminen) kitka.

Staattisessa kitkassa vartalo ei liikku pinnalla. Käytetty voima on hyvin pieni eikä riitä kitkavoiman voittamiseen. Kitkalla on maksimiarvo, joka on verrannollinen normaaliin voimaan ja jota kutsutaan staattiseksi kitkavoimeksi F _re.

Staattinen kitkavoima määritellään suurimmaksi voimaksi, joka kestää kehon liikkeen alkamista. Kun kohdistettu voima ylittää staattisen kitkavoiman, se pysyy maksimiarvolla.

Kineettinen kitka vaikuttaa, kun vartalo on jo liikkeessä. Voimaa, joka tarvitaan kehon liikkumiseksi kitkalla, kutsutaan kineettiseksi kitkavoimeksi F _rc.

Kineettisen kitkan voima on pienempi tai yhtä suuri kuin staattisen kitkan voima, koska kun vartalo alkaa liikkua, on helpompaa jatkaa liikkumista kuin yrittää tehdä sitä levossa ollessa.

Coulombin kitkalakit

1. Kitkavoima on suoraan verrannollinen kosketuspintaan nähden normaaliin voimaan. Suhteellisuusvakio on kitkakerroin μ, joka on kosketuksessa olevien pintojen välillä.
2. Kitkavoima on riippumaton pintojen välisen näkyvän kosketusalueen koosta.
3. Kineettinen kitkavoima on riippumaton kehon liukunopeudesta.

-Nesteen kitka

Kitkaa tapahtuu myös, kun elimet liikkuvat kosketuksessa nestemäisten tai kaasumaisten materiaalien kanssa. Tämän tyyppistä kitkaa kutsutaan nestekitkaksi ja se määritellään nesteen kanssa kosketuksessa olevien kappaleiden liikkumisen kestävyydeksi.

Nesteen kitka viittaa myös nesteen virtausvastukseen kosketuksessa saman tai eri materiaalin nestekerrosten kanssa, ja se riippuu nesteen nopeudesta ja viskositeetista. Viskositeetti on nesteen liikkeenkestävyyden mitta.

- Kiertää kitkaa

Stokes-kitka on eräänlainen nestekitka, jossa viskoosiin nesteeseen upotetut pallomaiset hiukkaset laminaarivirtauksessa kokevat kitkavoiman, joka hidastaa niiden liikettä nesteen molekyylien vaihtelun takia.

Stokesin kitka

Virtaus on laminaarinen, kun nesteen liikettä vastustavat viskoosit voimat ovat suuremmat kuin inertiaalivoimat ja neste liikkuu riittävän pienellä nopeudella ja suoraviivaisella polulla.

Kitkakertoimet

Coulombin ensimmäisen kitkalain mukaan kitkakerroin μ saadaan kitkavoiman ja kosketuspintaan normaalin voiman välisestä suhteesta.

Kerroin μ on mitaton määrä, koska se on kahden voiman välinen suhde, joka riippuu kosketuksessa olevien materiaalien luonteesta ja käsittelystä. Yleensä kitkakertoimen arvo on välillä 0 - 1.

Staattinen kitkakerroin

Staattisen kitkan kerroin on suhteellisuusvakio, joka esiintyy voiman välillä, joka estää ruumiin liikkumista lepotilassa kosketuspinnalla, ja voiman, joka on normaali pintaan nähden.

Kineettinen kitkakerroin

Kineettisen kitkan kerroin on suhteellisuusvakio, joka esiintyy pinnalla liikkuvan kappaleen liikettä rajoittavan voiman ja pintaan normaalin voiman välillä.

Staattisen kitkan kerroin on suurempi kuin kineettisen kitkan kerroin.

Elastinen kitkakerroin

Joustava kitkakerroin johdetaan elastisten, pehmeiden tai karkeiden materiaalien kosketuspintojen välisestä kitkasta, jotka ovat deformoituneet kohdistettujen voimien avulla. Kitka vastustaa kahden elastisen pinnan välistä suhteellista liikettä ja siirtymään liittyy materiaalin pintakerrosten elastinen muodonmuutos.

Näissä olosuhteissa saatu kitkakerroin riippuu pinnan karheudesta, kosketuksessa olevien materiaalien fysikaalisista ominaisuuksista ja leikkausvoiman tangentiaalisen komponentin suuruudesta materiaalien rajapinnalla.

Molekyylin kitkakerroin

Molekyyppinen kitkakerroin saadaan voimasta, joka rajoittaa hiukkasen liikettä, joka liukuu sileälle pinnalle tai nesteen läpi.

Kuinka kitka lasketaan?

Kiinteiden rajapintojen kitkavoima lasketaan yhtälöllä F _r = μN

Korvaava painoyhtälö kitkavoimayhtälössä antaa:

Ominaisuudet normaali

Kun esine on levossa tasaisella pinnalla, normaali voima on pinnan kohdistama vartaloon, ja se vastustaa painovoiman aiheuttamaa voimaa Newtonin toiminta- ja reaktiolain mukaan.

Normaali voima toimii aina kohtisuorassa pintaan nähden. Kaltevalla pinnalla normaali pienenee, kun laihakulma kasvaa ja osoittaa kohtisuorassa suunnassa pois pinnasta, kun taas paino osoittaa pystysuunnassa alaspäin. Normaalin voiman kaltevuus kaltevalle pinnalle on:

θ = kosketuspinnan kallistuskulma.

Kalteva tasokitka

Kehoon vaikuttava voiman komponentti sen liu'uttamiseksi on:

Kun käytetty voima kasvaa, se lähestyy kitkavoiman maksimiarvoa, tämä arvo vastaa staattista kitkavoimaa. Kun F = F _re, staattinen kitkavoima on:

Ja staattisen kitkan kerroin saadaan kallistuskulman gent tangentilla.

Ratkaistuja harjoituksia

- Vaakapinnalla lepäävän esineen kitkavoima

Vaakasuoralle pinnalle sijoitetun 15 kg: n laatikon työntää henkilö, joka kohdistaa 50 newtonin voimaa pintaa pitkin liikkuakseen, ja sitten kohdistaa 25 N: n voiman pitäen laatikon liikkumalla vakionopeudella. Määritä staattisen ja kineettisen kitkan kertoimet.

Laatikko liikkuu vaakapinnalla

Ratkaisu: Laatikon siirtämiseen käytetyn voiman arvolla saadaan staattisen kitkan kerroin μ _e.

Normaali voima N pintaan on yhtä suuri kuin laatikon paino, joten N = mg

Tässä tapauksessa μ _e = 50Uusi / 147Uusi

Laatikon nopeuden pitämiseksi vakiona käytetty voima on kineettinen kitkavoima, joka on yhtä suuri kuin 25New.

Kineettisen kitkan kerroin saadaan yhtälöllä μ _c = F _rc / N

- Kohteen kitkavoima kaltevuusvoiman vaikutuksen alaisena

Mies kohdistaa voiman 20 kg: n laatikkoon, jonka kulma on 30 ° suhteessa pintaan, jossa se lepää. Mikä on voiman suuruus, joka kohdistuu laatikon liikuttamiseen, jos kitkakerroin laatikon ja pinnan välillä on 0,5?

Ratkaisu: Vapaa runkokaavio edustaa kohdistettua voimaa ja sen pystysuoria ja vaakakomponentteja.

Vapaakappalekuva

Käytetty voima muodostaa 30 ° kulman vaakatasoon nähden. Voiman pystysuora komponentti lisää normaalin voiman, joka vaikuttaa staattisen kitkan voimaan. Laatikko liikkuu, kun kohdistetun voiman vaakasuora komponentti ylittää kitkavoiman F _re maksimiarvon. Voiman vaakasuuntaisen komponentin yhtäläinen staattisen kitkan kanssa antaa:

normaali vahvuus

Normaali voima ei enää ole kehon paino voiman pystysuuntaisen komponentin vuoksi.

Newtonin toisen lain mukaan pystyakselilla olevaan laatikkoon vaikuttavien voimien summa on nolla, joten kiihtyvyyden pystysuuntainen komponentti on _y = 0. Normaalivoima saadaan summasta

Korvaamalla yhtälö yhtälöön saadaan seuraava:

- Kitka liikkuvassa ajoneuvossa

1,5 tonnin ajoneuvo kulkee suoralla ja vaakasuoralla tiellä nopeudella 70 km / h. Kuljettaja näkee tiellä tietyn matkan esteet, jotka pakottavat häntä jarruttamaan voimakkaasti. Jarrutuksen jälkeen ajoneuvo liukuu hetkeksi, kunnes se pysähtyy. Jos renkaiden ja tien välinen kitkakerroin on 0,7; määritä seuraava:

1. Mikä on kitkan arvo ajoneuvon luistaessa?
2. Ajoneuvon hidastuvuus
3. Ajoneuvon kuljettu matka jarrutuksesta pysähtymiseen.

Ajoneuvon kitkavoima sen liukumisen aikana on:

= 10290 Uusi

Jakso b

Kitkavoima vaikuttaa ajoneuvon hidastumiseen sen liukumisen aikana.

Sovellettaessa Newtonin toista lakia hidastuvuuden arvo saadaan ratkaisemalla yhtälö F = ma

Jakso c

Ajoneuvon alkuperäinen nopeus on v ₀ = 70 km / h = 19,44 m / s

Kun ajoneuvo pysähtyy, sen lopullinen nopeus on v _f = 0 ja hidastuvuus on a = - 6.86m / s ²

Ajoneuvon kulkema etäisyys jarrutuksesta pysähtymiseen asti saadaan ratkaisemalla d seuraavasta yhtälöstä:

Ajoneuvo kulkee 27,54m matkaa ennen pysähtymistä.

1. Kitkakertoimen laskeminen joustavissa kosketusolosuhteissa. Mikhin, N M. 2, 1968, Soviet Materials Science, osa 4, s. 149-152.
2. Blau, P J. Kitka Tiede ja tekniikka. Florida, Yhdysvallat: CRC Press, 2009.
3. Tarttuvuus- ja kitkavoimien suhde. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung ja Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, osa 8, ss. 1231-1249.
4. Zimba, J. Force and Motion. Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Tribologian periaatteet ja sovellukset. New York: John Wiley ja pojat, 1999.
6. Sharma, CS ja Purohit, K. Mekanismien ja koneiden teoria. Uusi Delhi: Prentice Hall of India, 2006.