Wpływ oporów ruchu na poruszające się ciała

R1KsI3559gAd3

Na zdjęciu widać samochód w zaciemnionym pomieszczeniu. Nad samochodem widać trzy jaskrawe linie. Im linie są bliższe dachu samochodu tym bardziej są odkształcone w kształt pojazdu, im są dalej tym stają się coraz bardziej proste.

Dlaczego poruszające się ciała zatrzymują się?

R1VeGhhDbGMb7

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

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

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1VeGhhDbGMb7

Film. 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?

R1PDWNaxPZvXB

Zdjęcie przedstawia mężczyznę lecącego z otwartym spadochronem na tle nieba.

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?

R10PG70FfPewI

Zdjęcie przedstawia rekina płynącego na tle rafy koralowej. W tle widać również inne ryby. Rekin jest niewiele większy niż inne ryby widoczne na zdjęciu. Ma dwie płetwy grzbietowe i spiczasty pysk.

R71YmcQtpu3qO

Zdjęcie mewy w locie, w tle błękitne bezchmurne niebo. Mewa jest biała, z kilkoma czarnymi lotkami na skrzydłach. Ma żółty dziób.

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.

Tarcie statyczne

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

R5aWmkEE2Eovk

Zdjęcie mikroskopowe powierzchni. Ukazuje ono wiele niedoskonałości i uszkodzeń w strukturze tej powierzchni, wybrzuszenia, pęknięcia, wgniecenia.

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 statycznego. 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 $F_T$ lub $T$ i wyrażamy w jednostkach siły – niutonach $\mathrm{N}$.

RpgXXvkSaZ79i

Schemat przedstawia klocek ustawiony na poziomym podłożu. Do prawego boku klocka zamocowana jest lina która przełożona jest przez bloczek przymocowany do podłoża na którym lina zmienia kierunek z poziomego na pionowy. Do końca liny przyczepiony jest wektor F skierowany w dół. Do lewego boku klocka przymocowany jest wektor F z indeksem dolnym T działający poziomo w lewo o takiej samej długości jak wektor F. Poniżej podłoża pokazane jest powiększenie krawędzi styku klocka i podłoża, które pokazuje, że obydwie powierzchnie nie są gładkie i o siebie trą.

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.

Tarcie kinetyczne

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

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?

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!

$T \left[\mathrm{N}\right]$ – siła tarcia,
$N \left[\mathrm{N}\right]$ – 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 tabeli 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.

RlVwBxolrEetZ

Zdjęcie przedstawia łożysko kulkowe. Składa się ono z zewnętrznego metalowego pierścienia i wewnętrznego mniejszego metalowego pierścienia. Pomiędzy te pierścienie włożonych jest kilkanaście metalowych kulek.

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.

RxD65bF96uDL4

Rysunek przedstawia koło samochodowe, które stoi na podłożu. Na oponie zaznaczono kierunek jej ruchu zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Tuż nad punktem styku powierzchni z podłożem (na oponie) zaznaczono punkt z którego poprowadzono wektor o kierunku poziomym zwrocie w prawo podpisany siła, jaką działa jezdnia na koło. Tuż pod punktem styku koła z podłożem (na podłożu) zaznaczono punkt, w którym zaczepiony jest wektor o kierunku poziomym zwrocie w lewo i takiej samej długości jak poprzedni wektor podpisany siła, jaką działa koło na jezdnię.

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

Rx6DeZoKLjv6V

Zdjęcie buta z widoczną spodnią częścią powierzchni z wyraźnym protektorem. But leży na boku.

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.

R6nzug5k0NCep

Zdjęcie dłoni osoby, która długopisem na kartce pisze Słońce.

Podsumowanie

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

RA4BYAqEI59TP

W filmie przedstawione zostały sposoby na zmniejszenie oporów ruchu.

W filmie przedstawione zostały sposoby na zmniejszenie oporów ruchu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RA4BYAqEI59TP

W filmie przedstawione zostały sposoby na zmniejszenie oporów ruchu.

• 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 wzorem $T=f·N$, gdzie:  
  $T\left[\mathrm{N}\right]$ – siła tarcia,
  $N\left[\mathrm{N}\right]$ – siła nacisku,
  $f$ – współczynnik tarcia.

• Współczynnik tarcia opisuje rodzaj trących o siebie powierzchni i jest wielkością bezwymiarową.

• Współczynnik tarcia wyznaczamy doświadczalnie.

Ćwiczenie 6

Przedstaw rozkład sił działających na ciągnięty po płaskiej powierzchni sześcienny klocek, uwzględniając siłę tarcia oraz siłę nacisku. Prędkość liniowa klocka jest stała.

R18cv3zmNWAkY

Pokaż podpowiedź

Przypomnij sobie pierwszą zasadę dynamiki: aby ciało poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym, siły muszą się równoważyć. Siła tarcia musi być pozioma, równoległa do podłoża, podczas gdy siła nacisku będzie do niego prostopadła.

Pokaż odpowiedź

RcTBX8TSiB3Hc

RQS3zFDo7QVmX

Ćwiczenie 6

Możliwe odpowiedzi: 1. Prawidłowa odpowiedź A, 2. Nieprawidłowa odpowiedź B, 3. Nieprawidłowa odpowiedź C, 4. Prawidłowa odpowiedź D

Słownik