To ciekawe

Gdybym zapytała Cię, czy znasz siłę tarcia, to zapewne dostałabym odpowiedź pozytywną. Spotykasz ją w codziennych sytuacjach, dzięki niej możesz poruszać się, pisać długopisem na kartce papieru, czy przesuwać książki po blacie biurka. Od jakich czynników zależy ta, tak powszechna, siła? O jednym z nich – o sile nacisku - będzie mowa w tym e‑materiale.

Warto przeczytać

Praktyka codziennych czynności pozwala zauważyć, że trudniej jest przesuwać ciężkie przedmioty, na przykład meble, niż lekkie. Łatwiej je przesuwać po gładkich powierzchniach niż nierównych, chropowatych. Te obserwacje są zbieżne z wynikami doświadczeń, w których bada się siłę tarciasiła tarciasiłę tarcia. Szczerze Cię zachęcam do wykonania w szkolnej pracowni doświadczeń, w których zbadasz siłę tarcia.

Aby zbadać siłę tarciasiła tarciasiłę tarcia, trzeba umieć ją zmierzyć. Przejdźmy więc do konkretów!

Chcemy zmierzyć siłę tarciatarcietarcia, która występuje pomiędzy dwoma powierzchniami przesuwającymi się względem siebie. Może to być pozioma powierzchnia stołu i powierzchnia klocka. Klocek powinien być wyposażony w haczyk, do którego można przyczepić siłomierz (Rys. 1.).

R17ec8vOFVkYi

Rys. 1. Na rysunku przedstawiono prostopadłościenny klocek leżący na powierzchni. Z prawej strony do klocka, za pomocą haczyka, przyczepiony jest siłomierz, który wskazuje wartość sześć niutonów.

Ciągnąc klocek przy pomocy siłomierza ruchem jednostajnym, równoważymy siłę tarcia, co wprost wynika z II zasady dynamiki - z zerowego przyspieszenia wnioskujemy, że siła wypadkowa jest zerowa. Skala siłomierza pozwala wtedy odczytać wartość $F$ siły, jaką ciągniemy siłomierz. Pośrednio więc odczytujemy z siłomierza wartość $T$ siły tarcia (Rys. 2.).

R1OovxB7g7iKr

Rys. 2. Na rysunku przedstawiono schematycznie klocek poruszający się ruchem jednostajnym pod wpływem siły wielkie F oraz siły tarcia wielkie T, gdy siła tarcia T równa się minus siła F. Symbolem siły tarcia jest wektor wielkie T. Symbolem siły jest wektor wielka litera F. Siła tarcia oddziałuje na klocek po jego lewej stronie, siła F po jego prawej stronie. Na ilustracji dodatkowo znajduje się równanie wektor v równa się constans, które oznacza ruch jednostajny. Pod równaniem widnieje strzałka skierowana w prawą stronę.

Jeśli użyjemy siły większej niż siła tarcia, to klocek będzie poruszał się ruchem przyspieszonym (Rys. 3.).

R1DsqTw8FrAeE

Rys. 3. Na rysunku przedstawiono schematycznie klocek poruszający się ruchem przyspieszonym pod wpływem siły, która jest większa od siły tarcia. Symbolem siły tarcia jest wektor wielka litera T. Symbolem siły F jest wektor wielka litera F. Siła tarcia oddziałuje na klocek po jego lewej stronie, siła F po jego prawej stronie. Na ilustracji dodatkowo znajduje się zapis wektor v rośnie, które oznacza ruch przyspieszony. Pod równaniem widnieje strzałka skierowana w prawą stronę.

Badając siłę tarcia, zdajemy sobie sprawę, że może na nią mieć wpływ kilka różnych czynników. Wymieńmy trzy: rodzaj stykających się powierzchni, ich wielkość i siła nacisku. Badanie tego rodzaju problemu musi przebiegać w ten sposób, że zmienia się w doświadczeniu tylko jeden czynnik, nie zmieniając pozostałych. Dlatego będziemy badać wpływ siły nacisku na siłę tarcia pomiędzy ustalonymi powierzchniami. W tym doświadczeniu klocek przemieszcza się po poziomej powierzchni, więc wartość siły nacisku jest równa ciężarowi klocka. Siła tarcia ma kierunek styczny do powierzchni i jednocześnie prostopadły do siły nacisku (Rys. 4.).

RnuneXdHavjUL

Rys. 4. Na rysunku przedstawiono czerwony klocek znajdujący się pod wpływem siły wektor wielkie T (strzałka skierowana w lewą stronę). Na klocek działa siła ciężkości wektor wielkie P skierowana pionowo w dół. Jej skutkiem jest siła nacisku wektor wielkie N klocka na powierzchnię (strzałka skierowana jest również w dół). Zaznaczony jest także nad klockiem po prawej stronie wektor v ze strzałką skierowaną w prawą stronę.

Istota siły tarcia polega na tym, że powierzchnie nie są doskonale gładkie. Gdyby powiększyć obraz powierzchni, nierówności stałyby się widoczne (Rys. 5.).

R1X5LMIm6m6Lg

Rys. 5. Rysunek przedstawia powiększony obraz struktury stykających się powierzchni. Każda powierzchnia ma swoją strukturę. Gdyby użyć powiększenia, to widoczna byłaby jej chropowatość (jak w przedstawionym wycinku). Powierzchnia papieru ściernego jest znacznie bardziej chropowata niż powierzchnia szkła lub metalu. Pod wycinkiem zaznaczono skalę – 1 mikrometr, czyli milionowa część metra, a tysięczna milimetra. Powierzchnia jest bardzo nierówna. W tych nierównościach tkwi przyczyna występowania tarcia.

Można sobie wyobrazić, że jeśli powierzchnie zostaną mocniej dociśnięte, to trudniej będzie pokonać wszystkie nierówności i „zadziorki”. Konsekwencją tego rozumowania jest hipoteza, którą można sformułować następująco:

Wartość siły tarcia jest tym większa, im większa jest wartość siły nacisku.

Tę hipotezę możesz zweryfikować doświadczalnie, jeśli w pracowni dysponujesz siłomierzem i kilkoma jednakowymi klockami. W doświadczeniu będziesz zwiększać siłę nacisku klocka na podłoże, stawiając kolejne klocki jeden na drugim, za każdym razem mierząc siłę tarcia w sposób, jaki był podany wyżej. Wyniki obarczone będą niepewnością pomiarową wynikającą z rozdzielczości skali siłomierza, czyli dokładności odczytu pomiaru. Jednakże powinny wykazać, że siła tarcia jest proporcjonalna do liczby klocków. Te były jednakowe, więc

Wartość siły tarcia jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku.

Współczynnikiem proporcjonalności pomiędzy tymi wielkościami jest współczynnik tarcia poślizgowego, który zależy od rodzaju stykających się powierzchni. Jest to wielkość bezwymiarowa, zwykle oznaczana symbolem $f$.

Podsumowując przeprowadzone rozważania, zapiszemy wzór wyrażający siłę tarcia:

Słownik