RSTg7eQCinlYz1

Zdjęcie obrazujące opór powietrza przy ruchu ciała

1. Dlaczego poruszające się ciała zatrzymują się?

R11Dj5gh3sgE91

Tocząca się kula, która zatrzymuje się po chwili na skutek oporów ruchu

Tocząca się kula, która zatrzymuje się po chwili na skutek oporów ruchu

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Tocząca się kula, która zatrzymuje się po chwili na skutek oporów ruchu

Dlaczego poruszające się ciała po pewnym czasie zatrzymują się, tak jak kula na filmie? Dlaczego skoczek potrzebuje spadochronu, by powoli opaść na ziemię?

RrEDWsTd2z7uR1

Siły oporu ruchu

Wszystkie poruszające się w naszym otoczeniu ciała napotykają siły, które przeciwdziałają ich ruchowi. Mogą być one na przykład wynikiem oporu, który stawia poruszającemu się ciału ośrodek, lub tarcia między powierzchnią podłoża i ciała znajdującego się w ruchu. Określamy je jedną wspólną nazwą – sił oporu ruchu.
W celu sprawdzenia, od czego zależą, przeprowadźmy prosty eksperyment.

Ciekawostka

Dlaczego np. ryby i ptaki mają opływowe kształty?

R1QorDBmwxORu1

Zdjęcie ryby pływającej w wodzie

R1G8IingEUCu41

Zdjęcie mewy w locie

2. Opory ruchu na powierzchni styku dwóch ciał – tarcie

Jeśli chcemy przesunąć szafę czy skrzynię, musimy działać na nie pewną siłą. Zauważamy jednak, że mimo działającej siły szafa się nie porusza. Zwiększamy siłę działającą na szafę – szafa ani drgnie. Opór, który pojawia się podczas próby ruszenia szafy z miejsca, nazywamy tarciem statycznymsiła tarcia statycznegotarciem statycznym. Na szczęście przy wzroście siły zewnętrznej siła tarcia statycznego osiąga swoją maksymalną wartość i przy dalszym wzroście siły zewnętrznej szafę można ruszyć z miejsca.

Kiedy szafa przesuwa się, tarcie również występuje. Ma ono jednak mniejszą wartość niż maksymalna siła tarcia statycznego. Tarcie występujące podczas przesuwania szafy nazywamy tarciem kinetycznymsiła tarcia kinetycznegotarciem kinetycznym.

2.1 Tarcie statyczne

Każda powierzchnia, nawet taka, która na pierwszy rzut oka wydaje się idealnie gładka, ma wiele nierówności.

R12QmUavu78Vb1

Zdjęcie powierzchni stali zgrzewanej wykonane za pomocą mikroskopu optycznego

Powodem powstawania tarcia statycznego są nierówności stykających się powierzchni oraz siły przylegania między ich atomami. Chcąc przesunąć jedną powierzchnię równolegle względem drugiej, musimy pokonać nieregularności tych powierzchni i oderwać przylegające do siebie atomy.

Oddziaływania są wzajemne, więc szafa działa na nierówności podłogi, a podłoga – na nierówności nóżek szafy. Im większą siłą działamy, pchając szafę, tym większa jest siła tarcia. W końcu, w miarę dalszego zwiększania siły działającej na ciało, opór stawiany przez nierówności podłogi i nóżek szafy zostaje pokonany i szafa zaczyna się przesuwać.
Siłę tarcia oznaczamy najczęściej symbolem $F_T l$ub $T$ i wyrażamy w jednostkach siły – niutonach [N].

R1FOlrFyX1WfG1

Schemat przedstawiający klocek przesuwany po powierzchni, poniżej w powiększeniu dwie chropowate powierzchnie stykających się materiałów.

Pomimo że przykładamy nawet sporą siłę do niektórych przedmiotów, nie możemy ich poruszyć. Siła tarcia statycznego między przedmiotem a powierzchnią podłoża ma przeciwny zwrot do siły starającej się przesunąć ciało i czasami jest zbyt wielka, aby ją pokonać. Wraz ze wzrostem siły działania zwiększa się również siła tarcia statycznego aż do momentu, kiedy ciało zacznie się w końcu poruszać. Wtedy tarcie statyczne przyjmuje maksymalną wartość.

2.2 Tarcie kinetyczne

Przesuwające się powierzchnie ciał stawiają opory ruchu, które nazywamy tarciem kinetycznymsiła tarcia kinetycznegotarciem kinetycznym.

2.3 Od czego zależy siła tarcia?

Przesunięcie ciała wymaga przyłożenia pewnej siły zewnętrznej, która musi zrównoważyć siłę tarcia powierzchni tego ciała o podłoże. Jak można obliczyć wartość takiej siły i od czego ona zależy?

2.4 Jak obliczyć siłę tarcia kinetycznego?

Pamiętajmy, że charakter praw rządzących tarciem jest czysto doświadczalny. Warunkiem ich występowania jest istnienie siły prostopadłej do powierzchni styku trących ciał. Zależą one głównie od siły nacisku i rodzaju powierzchni trących oraz zdecydowanie w mniejszym stopniu od prędkości poruszającego się ciała. Do obliczenia w pewnym przybliżeniu sił tarcia możemy posłużyć się następującym wzorem:
Siła tarcia

We wzorze nie występują wektory, lecz tylko ich wartości!

$F_T\mathrm{[N]}$ – siła tarcia,
$F_N\mathrm{[N]}$ – siła nacisku,
$f$ – współczynnik tarcia.

Współczynnik tarcia kinetycznegowspółczynnik tarciaWspółczynnik tarcia kinetycznego zależy od rodzaju trących o siebie powierzchni. Nie posiada on jednostki – możemy to zauważyć po przekształceniu wzoru na wartość siły tarcia.

Współczynnik tarcia jest więc wielkością niemianowaną – nieposiadającą jednostki fizycznej (miana).
Współczynniki tarcia między danymi powierzchniami możemy wyznaczyć doświadczalnie. Wystarczy zmierzyć wartość siły nacisku i wartość siły tarcia, korzystając z poprzedniego wzoru i opisanego powyżej doświadczenia nr 2.

W przypadku gdy próbujemy wprawić ciało w ruch, nie możemy posługiwać się wielkością fizyczną, jaką jest współczynnik tarcia kinetycznego. Jak można się domyślić, powinniśmy używać zbliżonej, opisującej spoczywające względem siebie ciała wielkości – współczynnika tarcia statycznego.

W przedstawionej i1GsgqwKj2_d571t384 możemy znaleźć przykładowe wartości współczynnika tarcia występującego między powierzchniami wybranych materiałów.

Ciekawostka

Tarcie toczne pojawia się podczas toczenia się walca lub kuli po płaskiej powierzchni. Siła wprawiająca ciało w tego typu ruch jest znacznie mniejsza niż siła wymagana do jego przesunięcia. Dlatego w urządzeniach mechanicznych stosuje się tak wiele łożysk.

R1V54f861xBn71

Zdjęcie łożyska kulkowego

2.5 Czy tarcie może być pożyteczne?

Tarcie odgrywa niezwykle istotną rolę w naszym życiu. Jest z jednej strony zjawiskiem niepożądanym, utrudniającym wykonywanie pracy, z drugiej zaś pozwala nam funkcjonować na co dzień – chodzić, pisać czy jeździć samochodem.
Gdyby nie tarcie między drogą a oponami, nasz samochód nie byłby w stanie ruszyć, jego koła kręciłyby się w miejscu. Gdyby jednak mu się to udało, nie bylibyśmy się w stanie zatrzymać – nie byłoby ani tarcia między szczękami hamulców a tarczą hamulcową, ani między oponami a drogą.

RNAdICa1ttGtl1

Schemat przedstawiający odziaływanie powierzchni opony z powierzchnią jezdni podczas ruchu pojazdu.

Również zwykła czynność chodzenia byłaby trudna lub wręcz niemożliwa. Gdyby nie siła tarcia, nasze buty ślizgałyby się; przypominałoby to poruszanie się po lodzie.

R1I2KoJopbk5p1

Zdjęcie buta z widoczną spodnią częścią powierzchni z wyraźnym protektorem

Gdyby nie było tarcia, nie bylibyśmy w stanie niczego napisać – po pierwsze dlatego, że do utrzymania długopisu potrzebne jest tarcie między powierzchnią długopisu a dłonią; po drugie, aby długopis mógł pisać, potrzebne jest tarcie między końcem jego wkładu a kartką papieru.

RthyIaVBQUsv21

Zdjęcie dłoni z długopisem piszącym po kartce

Podsumowanie

• Opory ruchu w wielu sytuacjach utrudniają nam życie i są przyczyną zwiększonego wydatkowania energii. Istnieją jednak sposoby na ich ograniczenie.

  RNrIzHKDWPkox1

  Zgodnie z treścią czytaną przez lektora pojawia się kolejno: lupa, motocyklista, skoczek narciarski w locie, ujęcie samochodu wyścigowego formuły 1 w trakcie wyścigu, zdjęcie szafy, zdjęcie przedstawiające smarowanie różnych części maszyn oraz zdjęcie łożyska kulkowego.

  Zgodnie z treścią czytaną przez lektora pojawia się kolejno: lupa, motocyklista, skoczek narciarski w locie, ujęcie samochodu wyścigowego formuły 1 w trakcie wyścigu, zdjęcie szafy, zdjęcie przedstawiające smarowanie różnych części maszyn oraz zdjęcie łożyska kulkowego.

  

  Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

  Zgodnie z treścią czytaną przez lektora pojawia się kolejno: lupa, motocyklista, skoczek narciarski w locie, ujęcie samochodu wyścigowego formuły 1 w trakcie wyścigu, zdjęcie szafy, zdjęcie przedstawiające smarowanie różnych części maszyn oraz zdjęcie łożyska kulkowego.

• Opory ruchu:

  • zwiększają się wraz ze wzrostem wartości prędkości ciała względem ośrodka,

  • zależą od kształtu ciała,

  • są większe w cieczach niż w gazach.

• Tarcie – siła występująca między powierzchniami stykających się ciał stałych. Jest ona styczna do powierzchni przylegania i przeciwna do kierunku ruchu jednego z tych ciał względem drugiego (tarcie kinetyczne) lub równoważąca zewnętrzne siły, styczna do powierzchni przylegania ciał nieruchomych względem siebie. Tarcie związane z przesuwaniem ciała po powierzchni (tarcie poślizgowe) jest nieco większe podczas wprawiania ciała w ruch niż wówczas, gdy ciało w takim ruchu już się znajduje. Z tego powodu tarcie dzielimy na: statyczne i kinetyczne.

• Siła tarcia statycznego pojawia się wraz z pojawieniem się siły próbującej wprawić ciało w ruch względem podłoża.

• Siła tarcia kinetycznego działa między powierzchnią poruszającego się ciała a powierzchnią podłoża. Ma ona kierunek zgodny z kierunkiem przemieszczania się ciała, a jej zwrot jest przeciwny do zwrotu wektora prędkości tego ciała.

• Siła tarcia kinetycznego zależy od nacisku ciała na podłoże oraz od rodzaju materiałów, z jakich wykonane są stykające się powierzchnie.

• Do obliczenia sił tarcia możemy posłużyć się następującym wzorem: $F_T=f·F_N$$$, gdzie:  
  $F_T\mathrm{[N]}$ – siła tarcia,
  $F_N\mathrm{[N]}$ – siła nacisku,
  $f$ – współczynnik tarcia.

• Współczynnik tarcia opisuje rodzaj trących o siebie powierzchni i nie ma jednostki.

• Współczynnik tarcia wyznaczamy doświadczalnie.

Słowniczek