Gesekan adalah fenomena fisik yang dihadapi seseorang untuk menguranginya di setiap bagian mekanisme yang berputar dan meluncur, yang tanpanya, pergerakan salah satu mekanisme ini tidak mungkin dilakukan. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan, dari sudut pandang fisika, apa yang dimaksud dengan gaya gesekan guling.
Apa jenis gaya gesekan yang ada di alam?
Pertama-tama, pertimbangkan tempat gesekan menggelinding di antara gaya gesekan lainnya. Kekuatan-kekuatan ini muncul sebagai akibat dari kontak dua benda yang berbeda. Itu bisa berupa benda padat, cair atau gas. Misalnya, penerbangan pesawat di troposfer disertai dengan adanya gesekan antara tubuh dan molekul udara.
Dengan mempertimbangkan secara eksklusif benda padat, kami memilih gaya gesekan dari istirahat, geser dan guling. Masing-masing dari kita memperhatikan: untuk menggerakkan kotak di lantai, perlu menerapkan beberapa kekuatan di sepanjang permukaan lantai. Nilai gaya yang akan membuat kotak keluar dari keadaan diam akan sama dengan nilai mutlak gaya gesekan yang diam. Yang terakhir bertindak antara bagian bawah kotak dan permukaan lantai.
Bagaimanasetelah kotak mulai bergerak, gaya konstan harus diterapkan untuk menjaga gerakan ini seragam. Fakta ini dihubungkan dengan fakta bahwa antara kontak lantai dan kotak, gaya gesekan geser bekerja pada yang terakhir. Sebagai aturan, ini beberapa puluh persen lebih kecil dari gesekan statis.
Jika Anda meletakkan silinder bundar dari bahan keras di bawah kotak, akan lebih mudah untuk memindahkannya. Gaya gesekan menggelinding akan bekerja pada silinder yang berputar dalam proses pergerakan di bawah kotak. Biasanya jauh lebih kecil dari dua kekuatan sebelumnya. Itulah sebabnya penemuan roda oleh umat manusia merupakan lompatan besar menuju kemajuan, karena orang dapat memindahkan beban yang jauh lebih besar dengan sedikit gaya yang diterapkan.
Sifat fisis gesekan gelinding
Mengapa terjadi gesekan guling? Pertanyaan ini tidak mudah. Untuk menjawabnya, perlu diperhatikan secara detail apa yang terjadi pada roda dan permukaan selama proses rolling. Pertama-tama, mereka tidak sepenuhnya mulus - baik permukaan roda, maupun permukaan tempat roda berputar. Namun, ini bukan penyebab utama gesekan. Alasan utamanya adalah deformasi satu atau kedua benda.
Benda apa pun, tidak peduli apa bahan padatnya, akan berubah bentuk. Semakin besar berat benda, semakin besar tekanan yang diberikannya pada permukaan, yang berarti bahwa ia berubah bentuk pada titik kontak dan merusak permukaan. Deformasi ini dalam beberapa kasus sangat kecil sehingga tidak melebihi batas elastis.
Bselama putaran roda, area yang berubah bentuk setelah pemutusan kontak dengan permukaan mengembalikan bentuk aslinya. Namun demikian, deformasi ini berulang secara siklis dengan revolusi baru roda. Setiap deformasi siklik, bahkan jika itu terletak pada batas elastis, disertai dengan histeresis. Dengan kata lain, pada tingkat mikroskopis, bentuk tubuh sebelum dan sesudah deformasi berbeda. Histeresis siklus deformasi selama putaran roda mengarah pada "dispersi" energi, yang memanifestasikan dirinya dalam praktik dalam bentuk munculnya gaya gesekan bergulir.
Body Rolling Sempurna
Di bawah tubuh ideal dalam hal ini yang kami maksud adalah tidak dapat dideformasi. Dalam kasus roda yang ideal, bidang kontaknya dengan permukaan adalah nol (menyentuh permukaan sepanjang garis).
Mari kita karakterisasi gaya-gaya yang bekerja pada roda yang tidak dapat dideformasi. Pertama, ini adalah dua gaya vertikal: berat badan P dan gaya reaksi pendukung N. Kedua gaya melewati pusat massa (sumbu roda), oleh karena itu mereka tidak mengambil bagian dalam penciptaan torsi. Untuk mereka, Anda dapat menulis:
P=N
Kedua, ini adalah dua gaya horizontal: gaya luar F yang mendorong roda ke depan (melewati pusat massa), dan gaya gesekan menggelinding fr. Yang terakhir menciptakan torsi M. Bagi mereka, Anda dapat menulis persamaan berikut:
M=frr;
F=fr
Di sini r adalah jari-jari roda. Persamaan tersebut mengandung kesimpulan yang sangat penting. Jika gaya gesekan fr sangat kecil, makaakan tetap menghasilkan torsi yang akan menyebabkan roda bergerak. Karena gaya luar F sama dengan fr, maka setiap nilai F yang sangat kecil akan menyebabkan roda menggelinding. Artinya, jika rolling body ideal dan tidak mengalami deformasi selama gerakan, maka tidak perlu membicarakan gaya gesekan rolling.
Semua benda yang ada adalah nyata, yaitu mengalami deformasi.
Tubuh asli berguling
Sekarang pertimbangkan situasi yang dijelaskan di atas hanya untuk kasus benda nyata (dapat diubah bentuk). Area kontak antara roda dan permukaan tidak lagi menjadi nol, itu akan memiliki nilai yang terbatas.
Mari kita menganalisis kekuatan. Mari kita mulai dengan aksi gaya vertikal, yaitu berat dan reaksi penyangga. Mereka masih setara satu sama lain, yaitu:
N=P
Namun, gaya N sekarang bekerja vertikal ke atas tidak melalui poros roda, tetapi sedikit bergeser darinya sejauh d. Jika kita membayangkan luas bidang kontak roda dengan permukaan sebagai luas persegi panjang, maka panjang persegi panjang ini akan menjadi tebal roda, dan lebarnya akan sama dengan 2d.
Sekarang mari kita beralih ke pertimbangan gaya horizontal. Gaya luar F tetap tidak menghasilkan torsi dan sama dengan gaya gesekan fr dalam nilai mutlak, yaitu:
F=fr.
Momen gaya-gaya yang menyebabkan rotasi akan menciptakan gesekan frdan reaksi dari tumpuan N. Selain itu, momen-momen ini akan diarahkan ke arah yang berbeda. Ekspresi yang sesuai adalahketik:
M=Nd - frr
Dalam kasus gerak beraturan, momen M akan sama dengan nol, sehingga diperoleh:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Persamaan terakhir, dengan memperhatikan rumus yang ditulis di atas, dapat ditulis ulang sebagai berikut:
F=d/rP
Faktanya, kita mendapatkan rumus utama untuk memahami gaya gesekan gelinding. Selanjutnya dalam artikel kami akan menganalisisnya.
Koefisien tahanan gelinding
Koefisien ini telah diperkenalkan di atas. Penjelasan geometris juga diberikan. Kita berbicara tentang nilai d. Jelas, semakin besar nilai ini, semakin besar momen yang menciptakan gaya reaksi penyangga, yang mencegah pergerakan roda.
Koefisien tahanan gelinding d, berbeda dengan koefisien gesekan statik dan geser, adalah nilai dimensional. Diukur dalam satuan panjang. Dalam tabel, biasanya diberikan dalam milimeter. Misalnya, untuk roda kereta api yang menggelinding pada rel baja, d=0,5 mm. Nilai d tergantung pada kekerasan kedua bahan, beban pada roda, suhu dan beberapa faktor lainnya.
Koefisien gesekan guling
Jangan bingung dengan koefisien sebelumnya d. Koefisien gesekan gelinding dilambangkan dengan simbol Cr dan dihitung menggunakan rumus berikut:
Cr=d/r
Kesamaan ini berarti bahwa Cr tidak berdimensi. Dialah yang diberikan dalam sejumlah tabel yang berisi informasi tentang jenis gesekan yang dipertimbangkan. Koefisien ini nyaman digunakan untuk perhitungan praktis,karena tidak melibatkan mengetahui jari-jari roda.
Nilai Cr dalam banyak kasus kurang dari koefisien gesekan dan istirahat. Misalnya, untuk ban mobil yang bergerak di aspal, nilai Cr berada dalam beberapa ratus (0,01 - 0,06). Namun, itu meningkat secara signifikan saat menjalankan ban kempes di rumput dan pasir (≈0.4).
Analisis rumus yang dihasilkan untuk gaya fr
Mari kita tulis lagi rumus di atas untuk gaya gesekan menggelinding:
F=d/rP=fr
Dari persamaan, semakin besar diameter roda, semakin kecil gaya F yang harus diterapkan agar roda mulai bergerak. Sekarang kita menulis persamaan ini melalui koefisien Cr, kita memiliki:
fr=CrP
Seperti yang Anda lihat, gaya gesekan berbanding lurus dengan berat benda. Selain itu, dengan peningkatan yang signifikan dalam bobot P, koefisien Cr itu sendiri berubah (meningkat karena peningkatan d). Dalam kebanyakan kasus praktis Cr terletak dalam beberapa ratus. Pada gilirannya, nilai koefisien gesekan geser terletak dalam beberapa persepuluh. Karena rumus untuk gaya gesekan menggelinding dan geser adalah sama, menggelinding ternyata bermanfaat dari sudut pandang energi (gaya fr adalah urutan besarnya kurang dari gaya geser di situasi yang paling praktis).
Kondisi bergulir
Banyak dari kita pernah mengalami masalah roda mobil tergelincir saat berkendara di atas es atau lumpur. Kenapa inikejadian? Kunci untuk menjawab pertanyaan ini terletak pada perbandingan nilai mutlak gaya gesekan menggelinding dan diam. Mari kita tulis lagi rumus bergulir:
F CrP
Ketika gaya F lebih besar atau sama dengan gesekan gelinding, maka roda akan mulai menggelinding. Namun, jika gaya ini melebihi nilai gesekan statis sebelumnya, maka roda akan tergelincir lebih awal dari pada saat menggelinding.
Dengan demikian, efek slip ditentukan oleh rasio koefisien gesekan statis dan gesekan guling.
Cara mengatasi selip roda mobil
Gesekan menggelinding roda mobil pada permukaan licin (misalnya, di atas es) dicirikan oleh koefisien Cr=0,01-0,06. Namun, nilai urutan yang sama khas untuk koefisien gesekan statis.
Untuk menghindari risiko selip roda, ban "musim dingin" khusus digunakan, di mana paku logam disekrup. Yang terakhir, menabrak permukaan es, meningkatkan koefisien gesekan statis.
Cara lain untuk meningkatkan gesekan statis adalah dengan memodifikasi permukaan tempat roda bergerak. Misalnya dengan menaburkannya dengan pasir atau garam.
