SÜRTÜNME: TÜRLERI, KATSAYI, HESAPLAMA, ALIŞTIRMALAR - FIZIKSEL - 2025

Sürtünme birbirleri ile temas halinde olan bir yüzeye hareketine direncidir. Katı, sıvı ve gaz halindeki maddeler arasında oluşan yüzey olgusudur. Temas halindeki iki yüzeye teğet olan ve söz konusu yüzeyler arasındaki göreceli yer değiştirmenin yönüne karşı çıkan direnç kuvveti, sürtünme kuvveti veya sürtünme kuvveti F _r olarak da adlandırılır .

Katı bir cismi bir yüzeye çıkarmak için, sürtünmenin üstesinden gelebilecek bir dış kuvvet uygulanmalıdır. Vücut hareket ettiğinde, sürtünme kuvveti vücuda etki eder, onu yavaşlatır ve hatta durdurabilir.

Sürtünme

Sürtünme kuvveti, bir yüzeyle temas halindeki bir cismin kuvvet diyagramı ile grafiksel olarak gösterilebilir. Bu diyagramda, sürtünme kuvveti F _r , yüzeye teğet olarak gövdeye uygulanan kuvvet bileşeninin karşısına çizilir.

Temas yüzeyi, vücuda normal kuvvet N adı verilen bir tepki kuvveti uygular. Bazı durumlarda normal kuvvet, vücudun sadece yüzeyde duran ağırlığından (P), diğer durumlarda ise yerçekimi dışında uygulanan kuvvetlerden kaynaklanmaktadır.

Sürtünme, temas eden yüzeyler arasında mikroskobik pürüzler olduğu için oluşur. Bir yüzeyi diğerinin üzerine taşımaya çalışırken, arayüzdeki serbest hareketi engelleyen pürüzler arasında sürtünme meydana gelir. Buna karşılık, vücudu hareket ettirmek için kullanılmayan ısı şeklinde enerji kayıpları meydana gelir.

Sürtünme türleri

İki ana sürtünme türü vardır: Coulomb sürtünmesi veya kuru sürtünme ve sıvı sürtünmesi.

-Coulomb sürtünmesi

Coulomb sürtünmesi her zaman cisimlerin hareketine karşı gelir ve iki tür sürtünmeye ayrılır: statik sürtünme ve kinetik (veya dinamik) sürtünme.

Statik sürtünmede gövdenin yüzeyde hareketi yoktur. Uygulanan kuvvet çok düşüktür ve sürtünme kuvvetinin üstesinden gelmek için yeterli değildir. Sürtünme, normal kuvvetle orantılı olan ve statik sürtünme kuvveti F _re olarak adlandırılan maksimum bir değere sahiptir .

Statik sürtünme kuvveti, vücudun hareketinin başlangıcına direnen maksimum kuvvet olarak tanımlanır. Uygulanan kuvvet, statik sürtünme kuvvetini aştığında, maksimum değerinde kalır.

Kinetik sürtünme, vücut halihazırda hareket halindeyken etki eder. Vücudun sürtünmeyle hareket etmesini sağlamak için gereken kuvvete kinetik sürtünme kuvveti F _rc denir .

Kinetik sürtünme kuvveti, statik sürtünme kuvvetinden daha az veya ona eşittir çünkü vücut hareket etmeye başladığında, hareket etmeye devam etmek, hareketsizken yapmaya çalışmaktan daha kolaydır.

Coulomb'un Sürtünme Kanunları

1. Sürtünme kuvveti, temas yüzeyine dik olan kuvvetle doğru orantılıdır. Orantılılık sabiti, temas halindeki yüzeyler arasında bulunan sürtünme katsayısı μ'dir.
2. Sürtünme kuvveti, yüzeyler arasındaki görünen temas alanının boyutundan bağımsızdır.
3. Kinetik sürtünme kuvveti, gövdenin kayma hızından bağımsızdır.

-Akışkan sürtünmesi

Sürtünme, cisimler sıvı veya gaz halindeki maddelerle temas halinde hareket ettiğinde de meydana gelir. Bu tür sürtünmeye sıvı sürtünmesi denir ve bir sıvı ile temas halindeki cisimlerin hareketine karşı direnç olarak tanımlanır.

Akışkan sürtünmesi aynı zamanda bir akışkanın aynı veya farklı bir malzemenin akışkan katmanları ile temas halinde akmaya karşı direncini ifade eder ve akışkanın hızına ve viskozitesine bağlıdır. Viskozite, bir akışkanın hareketine karşı direncin ölçüsüdür.

-Sürtünme darbeleri

Stokes sürtünmesi, laminer akışta viskoz bir sıvıya batırılan küresel parçacıkların, sıvının moleküllerindeki dalgalanmalar nedeniyle hareketlerini yavaşlatan bir sürtünme kuvveti yaşadıkları bir sıvı sürtünmesi türüdür.

Stokes sürtünmesi

Akışkanın hareketine karşı çıkan viskoz kuvvetler atalet kuvvetlerinden daha büyük olduğunda ve akışkan yeterince küçük bir hızla ve doğrusal bir yolda hareket ettiğinde akış laminerdir.

Sürtünme katsayıları

Coulomb'un birinci sürtünme yasasına göre, sürtünme katsayısı μ, sürtünme kuvveti ile temas yüzeyine normal kuvvet arasındaki ilişkiden elde edilir.

Μ katsayısı, temas halindeki malzemelerin doğasına ve işlenmesine bağlı olan iki kuvvet arasındaki ilişki olduğundan boyutsuz bir niceliktir. Genellikle sürtünme katsayısının değeri 0 ile 1 arasındadır.

Statik sürtünme katsayısı

Statik sürtünme katsayısı, bir temas yüzeyinde hareketsiz durumdaki bir cismin hareketini engelleyen kuvvet ile yüzeye normal kuvvet arasında var olan orantılılık sabitidir.

Kinetik sürtünme katsayısı

Kinetik sürtünme katsayısı, bir yüzey üzerinde hareket eden bir cismin hareketini sınırlayan kuvvet ile yüzeye normal kuvvet arasında var olan orantılılık sabitidir.

Statik sürtünme katsayısı, kinetik sürtünme katsayısından daha büyüktür.

Elastik sürtünme katsayısı

Elastik sürtünme katsayısı, uygulanan kuvvetlerle deforme olan elastik, yumuşak veya pürüzlü malzemelerin temas yüzeyleri arasındaki sürtünmeden elde edilir. Sürtünme, iki elastik yüzey arasındaki göreceli harekete karşı çıkar ve yer değiştirmeye, malzemenin yüzey katmanlarının elastik bir deformasyonu eşlik eder.

Bu koşullar altında elde edilen sürtünme katsayısı, yüzey pürüzlülüğünün derecesine, temas halindeki malzemelerin fiziksel özelliklerine ve malzemelerin ara yüzeyindeki kesme kuvvetinin teğet bileşeninin büyüklüğüne bağlıdır.

Moleküler sürtünme katsayısı

Moleküler sürtünme katsayısı, pürüzsüz bir yüzey üzerinde veya bir akışkan boyunca kayan bir parçacığın hareketini sınırlayan kuvvetten elde edilir.

Sürtünme nasıl hesaplanır?

Katı arayüzler üzerindeki sürtünme kuvveti, F _r = μN denklemi kullanılarak hesaplanır.

Sürtünme kuvveti denklemindeki ağırlık denklemini değiştirmek şunu verir:

Normalin özellikleri

Bir cisim düz bir yüzey üzerinde durduğunda, normal kuvvet, yüzey tarafından vücuda uygulanan kuvvettir ve Newton'un etki ve tepki yasasına göre yerçekiminden kaynaklanan kuvvete karşı çıkar.

Normal kuvvet her zaman yüzeye dik etki eder. Eğimli bir yüzeyde, eğim açısı arttıkça normal azalır ve yüzeyden uzağa dik bir yönü işaret ederken, ağırlık dikey olarak aşağıyı gösterir. Eğimli bir yüzey üzerindeki normal kuvvetin denklemi:

θ = temas yüzeyinin eğim açısı.

Eğik düzlem sürtünmesi

Vücudu kaydırmak için etkiyen kuvvetin bileşeni:

Uygulanan kuvvet arttıkça sürtünme kuvvetinin maksimum değerine yaklaşır, bu değer statik sürtünme kuvvetine karşılık gelen değerdir. F = F _re olduğunda, statik sürtünme kuvveti:

Ve statik sürtünme katsayısı, θ eğim açısının tanjantı ile elde edilir.

Çözülmüş egzersizler

Yatay bir yüzeye oturan bir cismin sürtünme kuvveti

Yatay bir yüzeye yerleştirilen 15Kg'lık bir kutu, hareket ettirmek için bir yüzey boyunca 50 Newton'luk bir kuvvet uygulayan bir kişi tarafından itilir ve ardından kutuyu sabit bir hızda hareket ettirmek için 25 N'luk bir kuvvet uygular. Statik ve kinetik sürtünme katsayılarını belirleyin.

Yatay yüzeyde hareket eden kutu

Çözüm: Kutuyu hareket ettirmek için uygulanan kuvvetin değeri ile statik sürtünme katsayısı μ _{e elde edilir} .

Yüzeye olan normal kuvvet N kutunun ağırlığına eşittir, dolayısıyla N = mg

Bu durumda, μ _e = 50Yeni / 147Yeni

Kutunun hızını sabit tutmak için uygulanan kuvvet, 25New'e eşit olan kinetik sürtünme kuvvetidir.

Kinetik sürtünme katsayısı μ _c = F _rc / N denklemi ile elde edilir.

Eğim açısına sahip bir kuvvetin etkisi altındaki nesnenin sürtünme kuvveti

Bir adam, durduğu yüzeye göre 30 ° 'lik bir uygulama açısıyla 20 kg'lık bir kutuya kuvvet uygular. Kutu ile yüzey arasındaki sürtünme katsayısı 0,5 ise kutuyu hareket ettirmek için uygulanan kuvvetin büyüklüğü nedir?

Çözüm: Serbest cisim diyagramı, uygulanan kuvveti ve bunun dikey ve yatay bileşenlerini temsil eder.

Serbest cisim diyagramı

Uygulanan kuvvet, yatay yüzeyle 30 ° 'lik bir açı yapar. Kuvvetin dikey bileşeni, statik sürtünme kuvvetini etkileyen normal kuvvete eklenir. Kutu, uygulanan kuvvetin yatay bileşeni F _re sürtünme kuvvetinin maksimum değerini aştığında hareket eder . Kuvvetin yatay bileşenini statik sürtünme ile eşitlemek şunu verir:

normal güç

Normal kuvvet, kuvvetin dikey bileşeninden dolayı artık vücudun ağırlığı değildir.

Newton'un ikinci yasasına göre, dikey eksende kutuya etki eden kuvvetlerin toplamı sıfırdır, dolayısıyla ivmenin düşey bileşeni a _y = 0'dır. Normal kuvvet, toplamdan elde edilir

Denklemin yerine konulmasıyla aşağıdakiler elde edilir:

-Hareket eden bir araçta sürtünme

1,5 tonluk bir araç düz ve yatay bir yolda 70 km / s hızla gidiyor. Sürücü, yoldaki belirli bir mesafede onu sert bir şekilde fren yapmaya zorlayan engeller görüyor. Fren yaptıktan sonra araç, durana kadar kısa bir süre kayar. Lastikler ile yol arasındaki sürtünme katsayısı 0,7 ise; aşağıdakileri belirleyin:

1. Araç kayarken sürtünmenin değeri nedir?
2. Araç yavaşlama
3. Aracın fren yaptığı andan durduğu ana kadar kat ettiği mesafe.

Aracın kayması sırasındaki sürtünme kuvveti:

= 10290 Yeni

B bölümü

Sürtünme kuvveti, aracın kayarken yavaşlamasını etkiler.

Newton'un ikinci yasasını uygulayarak yavaşlamanın değeri F = ma denklemi için çözülerek elde edilir.

Bölüm c

Aracın başlangıç ​​hızı v ₀ = 70Km / h = 19.44m / s'dir.

Araç durduğunda son hızı v _f = 0 ve yavaşlama a = - 6.86m / s ²

Aracın fren yaptığı andan durduğu ana kadar kat ettiği mesafe, aşağıdaki denklemden d için çözülerek elde edilir:

Araç durmadan önce 27.54m mesafe kat eder.

1. Elastik temas koşullarında sürtünme katsayısının hesaplanması. Mikhin, N. M. 2, 1968, Sovyet Malzeme Bilimi, Cilt 4, s. 149-152.
2. Blau, P J. Sürtünme Bilimi ve Teknolojisi. Florida, ABD: CRC Press, 2009.
3. Yapışma ve sürtünme kuvvetleri arasındaki ilişki. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung ve Yoshizawa, H.11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Cilt 8, s. 1231-1249.
4. Zimba, J. Kuvvet ve Hareket. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
5. Bhushan, B. Tribolojinin İlkeleri ve Uygulamaları. New York: John Wiley and Sons, 1999.
6. Sharma, CS ve Purohit, K. Mekanizma ve makinelerin teorisi. Yeni Delhi: Hindistan Prentice Hall, 2006.