Gaya gesekan adalah besaran fisika yang mencegah setiap gerakan tubuh. Itu terjadi, sebagai suatu peraturan, ketika benda bergerak dalam materi padat, cair dan gas. Berbagai jenis gaya gesekan memainkan peran penting dalam kehidupan manusia, karena mereka mencegah peningkatan kecepatan benda yang berlebihan.
Klasifikasi gaya gesekan
Dalam kasus umum, semua jenis gaya gesekan dijelaskan oleh tiga jenis: gaya gesekan geser, menggelinding dan diam. Yang pertama statis, dua lainnya dinamis. Gesekan saat istirahat mencegah tubuh untuk mulai bergerak, sebaliknya, saat meluncur, gesekan terjadi saat tubuh bergesekan dengan permukaan tubuh lain selama gerakannya. Gesekan menggelinding terjadi ketika benda bulat bergerak. Mari kita ambil contoh. Contoh mencolok dari jenisnya (gaya gesek gelinding) adalah pergerakan roda mobil di atas aspal.
Sifat gaya gesekan adalah adanya ketidaksempurnaan mikroskopis antara permukaan gesekan dua benda. Untuk alasan ini, gaya yang dihasilkan bekerja padasebuah benda yang bergerak atau mulai bergerak, terdiri dari jumlah gaya reaksi normal penyangga N, yang diarahkan tegak lurus terhadap permukaan benda yang berkontak, dan gaya gesekan F. Gaya gesek diarahkan sejajar dengan permukaan kontak dan berlawanan dengan gerakan tubuh.
Gesekan antara dua benda padat
Saat mempertimbangkan masalah berbagai jenis gaya gesekan, pola berikut diamati untuk dua benda padat:
- Gaya gesekan diarahkan sejajar dengan permukaan penyangga.
- Koefisien gesekan tergantung pada sifat permukaan yang bersentuhan, serta kondisinya.
- Gaya gesek maksimum berbanding lurus dengan gaya normal atau reaksi tumpuan yang bekerja antara permukaan kontak.
- Untuk benda yang sama, gaya gesekan lebih besar sebelum benda mulai bergerak dan kemudian berkurang saat benda mulai bergerak.
- Koefisien gesekan tidak bergantung pada luas bidang kontak, dan praktis tidak bergantung pada kecepatan geser.
Hukum
Meringkas materi eksperimental tentang hukum gerak, kami telah menetapkan hukum dasar berikut tentang gesekan:
- Hambatan geser antara dua benda sebanding dengan gaya normal yang bekerja di antara mereka.
- Resistensi terhadap gerakan antara benda yang bergesekan tidak tergantung pada bidang kontak di antara mereka.
Untuk mendemonstrasikan hukum kedua, kita dapat memberikan contoh berikut: jika Anda mengambil balok dan memindahkannya dengan meluncur di permukaan, maka gaya yang diperlukan untuk gerakan seperti ituakan sama ketika balok terletak di permukaan dengan sisi panjangnya, dan ketika berdiri dengan ujungnya.
Hukum tentang berbagai jenis gaya gesekan dalam fisika ditemukan pada akhir abad ke-15 oleh Leonard da Vinci. Kemudian mereka dilupakan untuk waktu yang lama, dan hanya pada tahun 1699 mereka ditemukan kembali oleh insinyur Prancis Amonton. Sejak itu, hukum gesekan menyandang namanya.
Mengapa gaya gesekan lebih besar daripada gaya geser saat diam?
Ketika mempertimbangkan beberapa jenis gaya gesekan (istirahat dan geser), harus dicatat bahwa gaya gesekan statis selalu kurang dari atau sama dengan produk koefisien gesekan statis dan gaya reaksi tumpuan. Koefisien gesekan ditentukan secara eksperimental untuk bahan gosok ini dan dimasukkan ke dalam tabel yang sesuai.
Gaya dinamis dihitung dengan cara yang sama seperti gaya statis. Hanya dalam hal ini, koefisien gesekan digunakan khusus untuk geser. Koefisien gesekan biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani (mu). Jadi, rumus umum untuk kedua gaya gesekan adalah: Ftr=N, di mana N adalah gaya reaksi tumpuan.
Sifat perbedaan antara jenis gaya gesekan ini belum ditetapkan secara pasti. Namun, sebagian besar ilmuwan percaya bahwa gaya gesekan statis lebih besar daripada gaya geser, karena ketika benda diam relatif satu sama lain selama beberapa waktu, ikatan ionik atau mikrofusi dari titik individu permukaan dapat terbentuk di antara permukaannya. Faktor-faktor ini menyebabkan peningkatan statisindikator.
Contoh beberapa jenis gaya gesek dan manifestasinya adalah piston di dalam silinder mesin mobil, yang "disolder" ke silinder jika mesin tidak hidup dalam waktu lama.
Badan geser horizontal
Mari kita dapatkan persamaan gerak untuk benda yang, di bawah aksi gaya eksternal Fdalam, mulai bergerak di sepanjang permukaan dengan meluncur. Dalam hal ini, gaya berikut bekerja pada tubuh:
- Fv – kekuatan eksternal;
- Ftr – gaya gesekan yang berlawanan arah dengan gaya Fv;
- N adalah gaya reaksi penyangga, yang nilainya sama dengan berat benda P dan diarahkan ke permukaan, yaitu tegak lurus.
Dengan mempertimbangkan arah semua gaya, kami menulis hukum kedua Newton untuk kasus gerak ini: Fv - Ftr=ma, di mana m - massa tubuh, a - percepatan gerakan. Mengetahui bahwa Ftr=N, N=P=mg, di mana g adalah percepatan jatuh bebas, kita mendapatkan: Fv –mg=ma. Dari mana, menyatakan percepatan dengan mana tubuh geser bergerak, kita mendapatkan: a=F dalam / m – Μg.
Pergerakan benda tegar dalam zat cair
Saat mempertimbangkan jenis gaya gesekan apa yang ada, kita harus menyebutkan fenomena penting dalam fisika, yaitu deskripsi tentang bagaimana benda padat bergerak dalam cairan. Dalam hal ini, kita berbicara tentang gesekan aerodinamis, yang ditentukan tergantung pada kecepatan tubuh dalam cairan. Ada dua jenis gerakan:
- Kapanbenda tegar bergerak dengan kecepatan rendah, kita berbicara tentang gerak laminer. Gaya gesekan pada gerak laminar sebanding dengan kecepatan. Contohnya adalah hukum Stokes untuk benda bulat.
- Ketika pergerakan suatu benda dalam fluida terjadi pada kecepatan yang lebih tinggi dari nilai ambang batas tertentu, maka vortisitas dari aliran fluida mulai muncul di sekitar benda tersebut. Vortisitas ini menciptakan gaya tambahan yang menghambat gerakan, dan sebagai hasilnya, gaya gesekan sebanding dengan kuadrat kecepatan.
Sifat gaya gesekan gelinding
Ketika berbicara tentang jenis gaya gesek, biasanya disebut gaya gesek gelinding sebagai jenis ketiga. Ini memanifestasikan dirinya ketika tubuh berguling di atas permukaan tertentu dan deformasi tubuh ini dan permukaan itu sendiri terjadi. Artinya, dalam kasus tubuh dan permukaan yang benar-benar tidak dapat dideformasi, tidak ada gunanya berbicara tentang gaya gesekan guling. Mari kita lihat lebih dekat.
Konsep koefisien gesekan guling mirip dengan konsep geser. Karena tidak ada selip antara permukaan benda selama menggelinding, koefisien gesekan guling jauh lebih kecil daripada untuk geser.
Faktor utama yang mempengaruhi koefisien adalah histeresis energi mekanik untuk jenis gaya gesek gelinding. Secara khusus, roda, tergantung pada bahan dari mana ia dibuat, serta pada beban yang dibawanya, berubah bentuk secara elastis selama gerakan. Siklus deformasi elastis yang berulang menyebabkan transfer sebagian energi mekanik menjadi energi panas. Selain itu, karenakerusakan, kontak roda dan permukaan sudah memiliki beberapa area kontak yang terbatas.
rumus gaya gesekan menggelinding
Jika kita menerapkan persamaan momen gaya yang memutar roda, maka kita peroleh bahwa gaya gesekan menggelinding adalah Ftr.k.= k N / R, di sini N adalah reaksi tumpuan, R adalah jari-jari roda, к – koefisien gesekan gelinding. Jadi, gaya gesekan guling berbanding terbalik dengan jari-jari, yang menjelaskan keuntungan roda besar dibandingkan roda kecil.
Perbandingan terbalik dari gaya ini dengan jari-jari roda menunjukkan bahwa dalam kasus dua roda dengan jari-jari berbeda yang memiliki massa yang sama dan terbuat dari bahan yang sama, roda dengan jari-jari yang lebih besar lebih mudah untuk mengalah.
Rasio bergulir
Sesuai dengan rumus untuk jenis gaya gesek ini, diperoleh bahwa koefisien gesekan guling k memiliki dimensi panjang. Ini terutama tergantung pada sifat badan yang bersentuhan. Nilai, yang ditentukan oleh rasio koefisien gesekan guling dengan jari-jari, disebut koefisien guling, yaitu, Ck=k / R adalah besaran tak berdimensi.
Koefisien guling Ck secara signifikan lebih kecil daripada koefisien gesekan luncur tr. Oleh karena itu, ketika menjawab pertanyaan jenis gaya gesekan mana yang terkecil, kita dapat dengan aman menyebut gaya gesekan menggelinding. Berkat fakta ini, penemuan roda dianggap sebagai langkah penting dalam kemajuan teknologi.kemanusiaan.
Rasio rolling adalah khusus sistem dan tergantung pada faktor-faktor berikut:
- kekerasan roda dan permukaan (semakin kecil deformasi bodi yang terjadi selama gerakan, semakin rendah koefisien rolling);
- jari-jari roda;
- berat yang bekerja pada roda;
- luas permukaan kontak dan bentuknya;
- viskositas pada bidang kontak antara roda dan permukaan;
- suhu tubuh
