To ciekawe

Obserwacja codziennych zdarzeń pozwala Ci zauważyć, że siła tarcia zależy od rodzaju powierzchni ciał, które stykają się ze sobą. Ciała te mogą pozostawać względem siebie w spoczynku lub przesuwać się jedno względem drugiego. Zupełnie inaczej przesuwa się ostry nóż po kawałku chleba, a inaczej gumka wycierająca ślad ołówka po papierze. Narciarze smarują powierzchnię nart specjalnymi smarami, aby zmniejszyć siłę tarcia pomiędzy nartą a śniegiem. To wszystko wiesz! A może warto przyjrzeć się nieco dokładniej temu zagadnieniu?

Warto przeczytać

Wielkością, która charakteryzuje powierzchnie trące, jest współczynnik tarciawspółczynnik tarcia – im jest on większy, tym większa siła tarciasiła tarcia i tym trudniej przesunąć stykające się ciała. Współczynnik ten jest wielkością bezwymiarową. W dostępnych źródłach (np. e‑materiał „Co to jest tarcie?” lub Wikipedia) przejrzyj i porównaj ze sobą różne współczynnik tarcia. Czy widzisz różnice pomiędzy współczynnikiem tarcia statycznego i dynamicznego? Czy wartości współczynników zgadzają się z Twoją wiedzą wynikającą z obserwacji tarcia w zjawiskach co dzień obserwowanych?

Każda powierzchnia ma swoją strukturę. Gdyby użyć powiększenia, to zauważymy jej chropowatość. Powierzchnia papieru ściernego jest znacznie bardziej chropowata niż powierzchnia szkła lub metalu. Znajduje to odzwierciedlenie w znalezionych przez Ciebie wartościach współczynników tarcia. Nie uszło Twojej uwadze to, że współczynnik nie jest podawany dla jednej, ale dla dwóch stykających się ze sobą powierzchni.

Rld2iul30iqES

Rys. 1. Rysunek przedstawia graficzną ilustrację treści. Na rysunku jest powiększony obraz struktury powierzchni. Każda powierzchnia ma swoją strukturę. Gdyby użyć powiększenia, to zauważymy jej chropowatość (na rysunku). Powierzchnia papieru ściernego jest znacznie bardziej chropowata niż powierzchnia szkła lub metalu. Pod rysunkiem jest skala – 1 mikrometr to milionowa część metra, a tysięczna milimetra. Powierzchnia jest bardzo nierówna. W tych nierównościach tkwi przyczyna występowania tarcia.

Rysunek umieszczony powyżej przedstawia powiększony obraz struktury powierzchni. Pod nim jest skala – 1 mikrometr to milionowa część metra (czyli tysięczna milimetra). Widzisz, jak bardzo nierówna jest powierzchnia. W tych nierównościach tkwi przyczyna występowania tarcia.

Wartość siły tarcia obliczamy jako iloczyn wartości siły nacisku $\vec{N}$ ciała na powierzchnię przez współczynnik tarcia $f$:

Współczynnik tarcia nart o śnieg nie jest wielkością jednoznaczną – lepkość śniegu zależy od warunków atmosferycznych, a powierzchnia nart od rodzaju materiału i rodzaju smaru. Dlatego podaje się, że wartość współczynnika leży w granicach 0,04‑0,2 - to bardzo duży zakres.

Obliczmy, jaką siłą musi odpychać się człowiek o masie $m = 60\,\text{kg}$, poruszający się na nartach po poziomej powierzchni, przy skrajnych wartościach współczynnika tarcia nart o śnieg.

Wartość siły nacisku w tym przypadku jest równa wartości siły ciężkości, czyli $N=mg$. Zatem maksymalna wartość siły tarcia będzie równa

a minimalna

gdzie $f_{\max }=\mathrm{0,2}$, a $f_{\min }=\mathrm{0,04}$. Podstawiając dane liczbowe, otrzymujemy:

Odpychając się kijkami, narciarz pokonuje siłę tarcia. W pierwszym wypadku jest ona pięciokrotnie większa niż w drugim.

Porównując wartość tych sił z innymi siłami działającymi na narciarza, na przykład z wartością siły ciężkości, możemy powiedzieć, że są one małe. Wartość $23,54\,text{N}$ - wręcz bardzo mała. Niewiele przewyższa siłę, z jaką przyciągane jest przez Ziemię ciało o masie $2\,\text{kg}$.

Wiesz, że dla zmniejszenia wartości siły tarcia pomiędzy powierzchniami wprowadza się smar. Współczynnik tarcia pomiędzy dwoma powierzchniami stalowymi ma wartość 0,1, ale jeśli przestrzeń pomiędzy nimi wypełnimy smarem grafitowym, to zmniejszy się on do wartości 0,036. Warto porównać wartość siły tarcia ze smarem i bez smaru - określić, ile razy będzie mniejsza, gdy wypełni się przestrzeń pomiędzy stalowymi powierzchniami grafitowym smarem. Dla dowolnej wartości nacisku $N$ mamy

Obliczając iloraz powyższych wielkości, zauważamy, że siła nacisku się skraca i pozostanie stosunek wartości współczynników tarcia, a zatem

Wprowadzenie smaru zmniejsza więc wartość siły tarcia prawie trzykrotnie.

Jeśli dysponujesz w pracowni fizycznej siłomierzem i dowolnym przedmiotem, który można ciągnąć za pomocą siłomierza po stole, to możesz wykonać samodzielnie następujące doświadczenie. Ciągnij przedmiot ruchem jednostajnym, dość powolnym. Siła sprężystości rozciągniętego siłomierza równoważy siłę tarcia i na skali można odczytać jej wartość. Zmieniaj powierzchnie, po których przesuwać będziesz wybrany przez siebie przedmiot - na stól połóż deskę czy dużą ksziążkę. Bez trudu zauważysz, że wartość siły tarcia będzie również się zmieniać.

Słownik