Trong phần đặc biệt của vật lý - động lực học, khi nghiên cứu chuyển động của các vật thể, họ sẽ xem xét các lực tác dụng lên hệ chuyển động. Sau này có thể thực hiện cả công việc tích cực và tiêu cực. Trong bài viết này, hãy xem xét công của lực ma sát là gì và nó được tính như thế nào.
Khái niệm về công việc trong vật lý
Trong vật lý, khái niệm "công việc" khác với ý niệm thông thường của từ này. Công được hiểu là một đại lượng vật lý, bằng tích vô hướng của vectơ lực và vectơ độ dời của vật. Giả sử rằng có một số vật mà lực F¯ tác dụng lên. Vì không có lực nào khác tác dụng lên nó nên vectơ độ dời l¯ của nó sẽ trùng phương với vectơ F¯. Tích vô hướng của các vectơ này trong trường hợp này sẽ tương ứng với tích của các mô-đun của chúng, đó là:
A=(F¯l¯)=Fl.
Giá trị A là công do lực F¯ thực hiện để vật đi được quãng đường l. Tính đến kích thước của các giá trị F và l, chúng ta thấy rằng công được đo bằng niutơn trên mét (Nm) trong hệ SI. Tuy nhiên, đơn vịNm có tên riêng của nó - nó là một joule. Điều này có nghĩa là khái niệm về công việc cũng giống như khái niệm về năng lượng. Nói cách khác, nếu một lực của 1 newton dịch chuyển vật thể 1 mét, thì chi phí năng lượng tương ứng là 1 jun.
Lực ma sát là gì?
Việc nghiên cứu câu hỏi về công của lực ma sát là có thể thực hiện được nếu bạn biết loại lực mà chúng ta đang nói đến. Ma sát trong vật lý là một quá trình ngăn cản bất kỳ chuyển động nào của một vật thể này trên bề mặt vật thể khác khi các bề mặt này tiếp xúc với nhau.
Nếu chúng ta chỉ xem xét các vật rắn, thì có ba loại ma sát đối với chúng:
- nghỉ ngơi;
- trượt;
- lăn.
Những lực này tác động giữa các bề mặt tiếp xúc và luôn hướng chống lại chuyển động của các vật thể.
Ma sát nghỉ ngăn cản chính chuyển động, ma sát trượt thể hiện trong quá trình chuyển động, khi bề mặt của các vật trượt lên nhau, và ma sát lăn tồn tại giữa vật lăn trên bề mặt và bề mặt.
Một ví dụ về tác động của lực ma sát tĩnh là một chiếc ô tô đang phanh tay trên sườn đồi. Ma sát trượt biểu hiện khi vận động viên trượt tuyết di chuyển trên tuyết hoặc vận động viên trượt băng di chuyển trên băng. Cuối cùng, ma sát lăn tác động khi bánh xe của ô tô đang chuyển động trên đường.
Lực đối với cả ba loại ma sát được tính theo công thức sau:
Ft=µt N.
Ở đây N là phản lực hỗ trợ, µtlà hệ số ma sát. Lực lượng Nthể hiện độ lớn của lực tác dụng của gối tựa lên vật vuông góc với mặt phẳng của bề mặt. Đối với thông số µt, nó được đo bằng thực nghiệm cho từng cặp vật liệu cọ xát, ví dụ, gỗ-gỗ, thép-tuyết, v.v. Các kết quả đo được thu thập trong các bảng đặc biệt.
Với mỗi lực ma sát, hệ số µtcó giá trị riêng đối với cặp vật liệu đã chọn. Như vậy, hệ số ma sát tĩnh lớn hơn hệ số ma sát trượt vài chục phần trăm. Đổi lại, hệ số lăn nhỏ hơn 1-2 bậc độ lớn so với hệ số trượt.
Công của lực ma sát
Bây giờ, khi đã làm quen với các khái niệm về công việc và các loại ma sát, bạn có thể đi thẳng vào chủ đề của bài viết. Hãy xem xét thứ tự của tất cả các loại lực ma sát và tìm ra tác dụng của chúng.
Hãy bắt đầu với ma sát tĩnh. Loại này biểu hiện khi cơ thể không cử động. Vì không có chuyển động nên vectơ độ dời l¯ của nó bằng không. Điều này có nghĩa là công của lực ma sát tĩnh cũng bằng không.
Ma sát trượt, theo định nghĩa, chỉ tác động khi cơ thể chuyển động trong không gian. Vì lực của loại ma sát này luôn hướng vào chuyển động của cơ thể, nên nó có tác dụng tiêu cực. Giá trị của A có thể được tính bằng công thức:
A=-Ft l=-µt Nl.
Công của lực ma sát trượt nhằm làm chậm chuyển động của cơ thể. Kết quả của công việc này, năng lượng cơ học của cơ thể được chuyển đổi thành nhiệt.
Ma sát lăn, giống như trượt, cũng liên quan đến chuyển động của cơ thể. Lực ma sát lăn có tác dụng âm, làm chậm chuyển động quay ban đầu của vật. Vì chúng ta đang nói về chuyển động quay của vật thể, nên thuận tiện để tính giá trị công của lực này thông qua công của động lượng của nó. Công thức tương ứng được viết là:
A=-Mθ trong đó M=Ft R.
Ở đây θ là góc quay của cơ thể do chuyển động quay, R là khoảng cách từ bề mặt đến trục quay (bán kính bánh xe).
Bài toán về lực ma sát trượt
Người ta biết rằng một khối gỗ nằm trên cạnh của một mặt phẳng gỗ nghiêng. Mặt phẳng nghiêng với đường chân trời một góc 40o. Biết rằng hệ số ma sát trượt là 0,4, chiều dài của mặt phẳng là 1m, khối lượng của thanh tương ứng là 0,5 kg, cần tìm công của lực ma sát trượt.
Tính công của lực ma sát trượt. Nó bằng:
Ft=mgcos (α)µt=0.59.81cos (40o)0, 4=1,5 N.
Khi đó tác phẩm A tương ứng sẽ là:
A=-Ft l=-1,51=-1,5 J.
Vấn đề ma sát lăn
Được biết là bánh xe lăn trên đường được một đoạn rồi dừng lại. Đường kính của bánh xe là 45 cm Số vòng quay của bánh xe trước khi dừng là 100. Tính hệ số lăn bằng 0,03, cần tìm công của lực ma sát lăn bằng bao nhiêu. Khối lượng của bánh xe là 5 kg.
Đầu tiên, hãy tính mômen ma sát lăn:
M=Ft R=µt mgD / 2=0,0359, 810, 45/2=0, 331 Nm.
Nếu nhân số vòng quay của bánh xe với 2pi radian thì ta được góc quay của bánh xe θ. Sau đó, công thức cho công việc là:
A=-Mθ=-M2pin.
Trong đó n là số vòng quay. Thay thời điểm M và số n theo điều kiện, ta được công cần thiết: A=- 207,87 J.
