Masing-masing dari kita akrab dengan manifestasi gaya gesekan. Memang, setiap gerakan dalam kehidupan sehari-hari, apakah itu berjalan atau menggerakkan kendaraan, tidak mungkin tanpa partisipasi gaya ini. Dalam fisika, merupakan kebiasaan untuk mempelajari tiga jenis gaya gesekan. Pada artikel ini, kita akan membahas salah satunya, kita akan mengetahui apa itu gesekan statis.
Bar pada permukaan horizontal
Sebelum menjawab pertanyaan, apa itu gaya gesekan statis dan berapa besarnya, mari kita perhatikan sebuah kasus sederhana dengan sebatang batang yang terletak pada permukaan horizontal.
Mari kita analisis gaya apa yang bekerja pada balok. Yang pertama adalah berat barang itu sendiri. Mari kita tunjukkan dengan huruf P. Arahnya vertikal ke bawah. Kedua, ini adalah reaksi dari dukungan N. Ini diarahkan secara vertikal ke atas. Hukum kedua Newton untuk kasus yang sedang dibahas akan ditulis dalam bentuk berikut:
ma=P - N.
Tanda minus di sini mencerminkan arah yang berlawanan dari berat dan mendukung vektor reaksi. Karena balok dalam keadaan diam, nilai a adalah nol. Yang terakhir berarti bahwa:
P - N=0=>
P=N.
Reaksi penyangga menyeimbangkan berat tubuh dan sama dengan itu dalam nilai absolut.
Gaya luar yang bekerja pada batang pada permukaan horizontal
Sekarang mari kita tambahkan satu gaya aksi lagi ke situasi yang dijelaskan di atas. Mari kita asumsikan bahwa seseorang mulai mendorong sebuah balok di sepanjang permukaan horizontal. Mari kita nyatakan gaya ini dengan huruf F. Kita dapat melihat situasi yang menakjubkan: jika gaya F kecil, maka terlepas dari aksinya, batang tetap diam di permukaan. Berat benda dan reaksi penyangga diarahkan tegak lurus ke permukaan, sehingga proyeksi horizontalnya sama dengan nol. Dengan kata lain, gaya P dan N tidak dapat melawan F dengan cara apa pun. Dalam hal ini, mengapa batang tetap diam dan tidak bergerak?
Jelas, pasti ada gaya yang melawan gaya F. Gaya ini adalah gaya gesekan statis. Arahnya terhadap F sepanjang permukaan horizontal. Ini bekerja di bidang kontak antara tepi bawah batang dan permukaan. Mari kita tunjukkan dengan simbol Ft. Hukum Newton untuk proyeksi horizontal akan ditulis sebagai:
F=Ft.
Dengan demikian, modulus gaya gesekan statis selalu sama dengan nilai absolut gaya-gaya luar yang bekerja sepanjang permukaan horizontal.
Mulai gerakan bar
Untuk menuliskan rumus gesekan statis, mari kita lanjutkan percobaan yang dimulai pada paragraf artikel sebelumnya. Kami akan meningkatkan nilai absolut dari gaya eksternal F. Bilah akan tetap diam untuk beberapa waktu, tetapi akan tiba saatnya ketika mulai bergerak. Pada titik ini, gaya gesekan statis akan mencapai nilai maksimumnya.
Untuk menemukan nilai maksimum ini, ambil bilah lain yang persis sama dengan yang pertama dan letakkan di atas. Area kontak batang dengan permukaan tidak berubah, tetapi beratnya berlipat ganda. Secara eksperimental ditemukan bahwa gaya F pelepasan batang dari permukaan juga berlipat ganda. Fakta ini memungkinkan untuk menulis rumus berikut untuk gesekan statis:
Ft=sP.
Artinya, nilai maksimum gaya gesekan ternyata sebanding dengan berat benda P, di mana parameter s bertindak sebagai koefisien proporsionalitas. Nilai s disebut koefisien gesekan statis.
Karena berat badan dalam percobaan sama dengan gaya reaksi pendukung N, rumus untuk Ft dapat ditulis ulang sebagai berikut:
Ft=sN.
Tidak seperti yang sebelumnya, ungkapan ini selalu dapat digunakan, bahkan ketika benda berada pada bidang miring. Modulus gaya gesekan statis berbanding lurus dengan gaya reaksi tumpuan yang bekerja pada permukaan benda.
Penyebab fisik gaya Ft
Pertanyaan mengapa gesekan statis terjadi rumit dan memerlukan pertimbangan kontak antara benda pada tingkat mikroskopis dan atom.
Secara umum, ada dua penyebab fisik kekuatanFt:
- Interaksi mekanis antara puncak dan palung.
- Interaksi fisika-kimia antara atom dan molekul tubuh.
Tidak peduli seberapa halus permukaannya, ia memiliki ketidakteraturan dan ketidakhomogenan. Secara kasar, ketidakhomogenan ini dapat direpresentasikan sebagai puncak dan palung mikroskopis. Ketika puncak satu benda jatuh ke rongga benda lain, kopling mekanis terjadi di antara benda-benda ini. Sejumlah besar kopling mikroskopis adalah salah satu alasan munculnya gesekan statis.
Alasan kedua adalah interaksi fisik dan kimia antara molekul atau atom yang membentuk tubuh. Diketahui bahwa ketika dua atom netral saling mendekat, beberapa interaksi elektrokimia dapat terjadi di antara mereka, misalnya interaksi dipol-dipol atau van der Waals. Pada saat awal gerakan, bar dipaksa untuk mengatasi interaksi ini untuk melepaskan diri dari permukaan.
Fitur kekuatan kaki
Telah disebutkan di atas berapa gaya gesekan statis maksimum, dan juga arah aksinya ditunjukkan. Di sini kita daftar karakteristik lain dari besaran Ft.
Gesekan istirahat tidak bergantung pada bidang kontak. Itu ditentukan semata-mata oleh reaksi dukungan. Semakin besar area kontak, semakin kecil deformasi puncak dan palung mikroskopis, tetapi semakin besar jumlahnya. Fakta intuitif ini menjelaskan mengapa Ftt maksimum tidak akan berubah jika bilah dibalik ke tepi dengan yang lebih kecildaerah.
Gesekan istirahat dan gesekan geser memiliki sifat yang sama, dijelaskan oleh rumus yang sama, tetapi yang kedua selalu lebih kecil dari yang pertama. Gesekan geser terjadi ketika balok mulai bergerak di sepanjang permukaan.
Force Ft adalah kuantitas yang tidak diketahui dalam banyak kasus. Rumus yang diberikan di atas untuk itu sesuai dengan nilai maksimum Ft pada saat bar mulai bergerak. Untuk memahami fakta ini lebih jelas, di bawah ini adalah grafik ketergantungan gaya Ft pada pengaruh luar F.
Dapat dilihat bahwa dengan meningkatnya F, gesekan statis meningkat secara linier, mencapai maksimum, dan kemudian berkurang ketika benda mulai bergerak. Selama gerakan, tidak mungkin lagi berbicara tentang gaya Ft, karena digantikan oleh gesekan geser.
Terakhir, fitur penting terakhir dari kekuatan Ft adalah tidak bergantung pada kecepatan gerakan (pada kecepatan yang relatif tinggi, Ftberkurang).
Koefisien gesekan s
Sejak s muncul dalam rumus untuk modulus gesekan, beberapa kata harus dikatakan tentangnya.
Koefisien gesekan s adalah karakteristik unik dari dua permukaan. Itu tidak tergantung pada berat badan, itu ditentukan secara eksperimental. Misalnya, untuk pasangan pohon-pohon, bervariasi dari 0,25 hingga 0,5 tergantung pada jenis pohon dan kualitas perawatan permukaan benda gosok. Untuk permukaan kayu yang dilapisi lilinsalju basah s=0,14, dan untuk sendi manusia koefisien ini mengambil nilai yang sangat rendah (≈0,01).
Berapapun nilai s untuk pasangan bahan yang ditinjau, koefisien gesekan geser yang sama k akan selalu lebih kecil. Misalnya, ketika menggeser pohon di pohon, itu sama dengan 0,2, dan untuk sendi manusia tidak melebihi 0,003.
Selanjutnya, kita akan mempertimbangkan solusi dari dua masalah fisik di mana kita dapat menerapkan pengetahuan yang diperoleh.
Bar pada bidang miring: perhitungan gaya Ft
Tugas pertama cukup sederhana. Mari kita asumsikan bahwa balok kayu terletak di atas permukaan kayu. Massanya 1,5 kg. Permukaannya miring dengan sudut 15o terhadap cakrawala. Diperlukan untuk menentukan gaya gesekan statis jika diketahui bahwa batang tidak bergerak.
Masalah dengan masalah ini adalah bahwa banyak orang mulai dengan menghitung reaksi dukungan, dan kemudian menggunakan data referensi untuk koefisien gesekan s, gunakan di atas rumus untuk menentukan nilai maksimum F t. Namun, dalam hal ini, Ft tidak maksimal. Modulusnya hanya sama dengan gaya luar, yang cenderung menggerakkan batang dari tempatnya menuruni bidang. Gaya ini adalah:
F=mgsin(α).
Maka gaya gesekan Ft akan sama dengan F. Substitusikan data ke persamaan, kita mendapatkan jawaban: gaya gesekan statis pada bidang miring F t=3,81 newton.
Bar pada permukaan miring: perhitungansudut kemiringan maksimum
Sekarang mari kita selesaikan masalah berikut: sebuah balok kayu berada pada bidang miring kayu. Dengan asumsi koefisien gesekan sama dengan 0,4, perlu untuk menemukan sudut kemiringan maksimum dari bidang ke cakrawala, di mana batang akan mulai meluncur.
Geser akan dimulai ketika proyeksi berat badan pada bidang menjadi sama dengan gaya gesekan statis maksimum. Mari kita tulis kondisi yang sesuai:
F=Ft=>
mgsin(α)=smgcos(α)=>
tg(α)=s=>
α=arctan(µs).
Substitusikan nilai s=0, 4 ke persamaan terakhir, kita dapatkan=21, 8o.
