Ma sát là một hiện tượng vật lý mà một người phải vật lộn để giảm nó trong bất kỳ bộ phận quay và trượt nào của cơ cấu, tuy nhiên, nếu không có nó, chuyển động của bất kỳ cơ chế nào trong số này là không thể. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét, theo quan điểm của vật lý, lực ma sát lăn là gì.
Lực ma sát tồn tại trong tự nhiên?
Trước hết, hãy xem xét vị trí của lực ma sát lăn trong số các lực ma sát khác. Những lực này phát sinh do sự tiếp xúc của hai vật thể khác nhau. Nó có thể là thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí. Ví dụ, chuyến bay của một chiếc máy bay trong tầng đối lưu đi kèm với sự hiện diện của ma sát giữa cơ thể nó và các phân tử không khí.
Chỉ xét riêng vật rắn, chúng ta chỉ ra các lực ma sát nghỉ, trượt và lăn. Mỗi người trong chúng ta đều lưu ý: để hộp di chuyển trên sàn, cần phải tác dụng một số lực dọc theo bề mặt sàn. Giá trị của lực đưa các hộp ra khỏi trạng thái nghỉ sẽ bằng giá trị tuyệt đối của lực ma sát nghỉ. Chất sau tác động giữa đáy hộp và bề mặt sàn.
Cáchmột khi hộp đã bắt đầu chuyển động, một lực không đổi phải được tác dụng để giữ cho chuyển động này đồng đều. Thực tế này liên quan đến thực tế là giữa tiếp xúc của sàn và hộp, lực ma sát trượt tác dụng lên vật sau. Theo quy luật, nó nhỏ hơn vài chục phần trăm so với ma sát tĩnh.
Nếu bạn đặt các hình trụ tròn bằng vật liệu cứng bên dưới hộp, việc di chuyển nó sẽ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Lực ma sát lăn sẽ tác dụng lên các khối trụ quay trong quá trình chuyển động dưới hộp. Nó thường nhỏ hơn nhiều so với hai lực trước đó. Đó là lý do tại sao nhân loại phát minh ra bánh xe là một bước tiến bộ vượt bậc, bởi vì con người có thể di chuyển tải trọng lớn hơn nhiều với lực tác dụng nhỏ.
Bản chất vật lý của ma sát lăn
Tại sao xảy ra ma sát lăn? Câu hỏi này không dễ. Để trả lời nó, người ta nên xem xét chi tiết những gì xảy ra với bánh xe và bề mặt trong quá trình lăn. Trước hết, chúng không hoàn toàn nhẵn - không phải bề mặt của bánh xe, cũng không phải bề mặt mà nó lăn. Tuy nhiên, đây không phải là nguyên nhân chính gây ra xích mích. Nguyên nhân chính là do sự biến dạng của một hoặc cả hai cơ thể.
Bất kỳ cơ thể nào, bất kể chúng được làm bằng vật liệu rắn nào, đều bị biến dạng. Trọng lượng của vật càng lớn thì áp lực tác dụng lên bề mặt càng lớn, đồng nghĩa với việc nó tự biến dạng tại điểm tiếp xúc và làm biến dạng bề mặt. Biến dạng này trong một số trường hợp rất nhỏ nên không vượt quá giới hạn đàn hồi.
Btrong quá trình lăn của bánh xe, các khu vực bị biến dạng sau khi chấm dứt tiếp xúc với bề mặt sẽ khôi phục lại hình dạng ban đầu của chúng. Tuy nhiên, những biến dạng này lặp lại theo chu kỳ với một cuộc cách mạng mới của bánh xe. Mọi biến dạng có chu kỳ, ngay cả khi nó nằm trong giới hạn đàn hồi, đều kèm theo hiện tượng trễ. Nói cách khác, ở cấp độ vi mô, hình dạng của cơ thể trước và sau khi biến dạng là khác nhau. Độ trễ của các chu kỳ biến dạng trong quá trình lăn của bánh xe dẫn đến sự "phân tán" năng lượng, biểu hiện trong thực tế dưới dạng sự xuất hiện của lực ma sát lăn.
Lăn Toàn Thân Hoàn Hảo
Dưới cơ thể lý tưởng trong trường hợp này, chúng tôi muốn nói rằng nó không thể biến dạng. Trong trường hợp của một bánh xe lý tưởng, diện tích tiếp xúc của nó với bề mặt bằng 0 (nó tiếp xúc với bề mặt dọc theo đường thẳng).
Hãy nêu đặc điểm của các lực tác dụng lên bánh xe không biến dạng. Thứ nhất, đây là hai lực thẳng đứng: trọng lượng vật P và phản lực gối tựa N. Cả hai lực đều đi qua khối tâm (trục bánh xe) nên không tham gia tạo mômen quay. Đối với họ, bạn có thể viết:
P=N
Thứ hai, đây là hai lực ngang: ngoại lực F đẩy bánh xe về phía trước (nó đi qua khối tâm) và lực ma sát lăn fr. Sau này tạo ra một mômen M. Đối với chúng, bạn có thể viết các cân bằng sau:
M=fr r;
F=fr
Ở đây r là bán kính của bánh xe. Những bằng nhau này chứa đựng một kết luận rất quan trọng. Nếu lực ma sát frnhỏ vô hạn thì nóvẫn sẽ tạo ra một mômen làm cho bánh xe chuyển động. Vì ngoại lực F bằng frnên bất kỳ giá trị nhỏ nào vô hạn của F sẽ làm cho bánh xe lăn. Điều này có nghĩa là nếu cơ thể lăn là lý tưởng và không bị biến dạng trong quá trình chuyển động, thì không cần phải nói về bất kỳ lực ma sát lăn nào.
Tất cả các vật thể hiện có đều là thật, tức là chúng bị biến dạng.
Lăn toàn thân thực sự
Bây giờ hãy xem xét tình huống được mô tả ở trên chỉ đối với trường hợp của các cơ thể thực (có thể biến dạng). Diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và bề mặt sẽ không còn bằng 0 nữa, nó sẽ có một giá trị hữu hạn nào đó.
Hãy phân tích các lực lượng. Hãy bắt đầu với tác dụng của các lực thẳng đứng, tức là trọng lượng và phản lực của giá đỡ. Họ vẫn bình đẳng với nhau, tức là:
N=P
Tuy nhiên, lực N lúc này tác dụng theo phương thẳng đứng lên không qua trục bánh xe mà hơi dịch ra khỏi trục một khoảng d. Nếu chúng ta tưởng tượng diện tích tiếp xúc của bánh xe với bề mặt là diện tích của một hình chữ nhật, thì chiều dài của hình chữ nhật này sẽ là chiều dày của bánh xe và chiều rộng sẽ bằng 2d.
Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang việc xem xét các lực ngang. Ngoại lực F vẫn không tạo ra mômen và bằng lực ma sát frcó giá trị tuyệt đối, đó là:
F=fr.
Mômen của lực dẫn đến chuyển động quay sẽ tạo ra ma sát frvà phản lực của giá đỡ N. Hơn nữa, những mômen này sẽ hướng theo các hướng khác nhau. Biểu thức tương ứng làloại:
M=Nd - fr r
Trong trường hợp chuyển động đều, thời điểm M sẽ bằng 0, do đó ta nhận được:
Nd - fr r=0=>
fr=d / rN
Đẳng thức cuối cùng, có tính đến các công thức đã viết ở trên, có thể được viết lại như sau:
F=d / rP
Trên thực tế, chúng ta đã có công thức chính để hiểu lực ma sát lăn. Trong bài viết chúng tôi sẽ phân tích thêm.
Hệ số cản lăn
Hệ số này đã được giới thiệu ở trên. Một giải thích hình học cũng đã được đưa ra. Chúng ta đang nói về giá trị của d. Rõ ràng, giá trị này càng lớn thì mômen tạo ra phản lực của giá đỡ càng lớn, ngăn cản chuyển động của bánh xe.
Hệ số cản lăn d, trái ngược với hệ số ma sát tĩnh và trượt, là một giá trị thứ nguyên. Nó được đo bằng đơn vị chiều dài. Trong các bảng, nó thường được tính bằng milimét. Ví dụ, đối với bánh xe lửa lăn trên ray thép, d=0,5 mm. Giá trị của d phụ thuộc vào độ cứng của hai vật liệu, tải trọng lên bánh xe, nhiệt độ và một số yếu tố khác.
Hệ số ma sát lăn
Đừng nhầm nó với hệ số trước d. Hệ số ma sát lăn được ký hiệu bằng ký hiệu Crvà được tính theo công thức sau:
Cr=d / r
Đẳng thức này có nghĩa là Crlà không thứ nguyên. Chính cô ấy là người được đưa ra trong một số bảng chứa thông tin về loại ma sát được coi là. Hệ số này thuận tiện để sử dụng cho các tính toán thực tế,bởi vì nó không liên quan đến việc biết bán kính của bánh xe.
Giá trị của Crtrong hầu hết các trường hợp đều nhỏ hơn hệ số ma sát và nghỉ. Ví dụ, đối với lốp ô tô di chuyển trên đường nhựa, giá trị của Crnằm trong khoảng vài phần trăm (0,01 - 0,06). Tuy nhiên, nó tăng lên đáng kể khi chạy lốp xẹp trên cỏ và cát (≈0,4).
Phân tích công thức kết quả cho lực fr
Hãy viết lại công thức trên cho lực ma sát lăn:
F=d / rP=fr
Từ đẳng thức, ta thấy rằng bánh xe có đường kính càng lớn thì lực F phải được tác dụng càng ít để nó bắt đầu chuyển động. Bây giờ chúng ta viết đẳng thức này thông qua hệ số Cr, chúng ta có:
fr=Cr P
Như bạn thấy, lực ma sát tỷ lệ thuận với trọng lượng của cơ thể. Ngoài ra, với sự gia tăng đáng kể của trọng lượng P, hệ số Crtự nó thay đổi (nó tăng do sự tăng của d). Trong hầu hết các trường hợp thực tế, Crnằm trong khoảng vài phần trăm. Đổi lại, giá trị của hệ số ma sát trượt nằm trong khoảng vài phần mười. Vì công thức của lực ma sát lăn và trượt giống nhau, nên việc lăn quay có lợi theo quan điểm năng lượng (lực frlà một bậc có độ lớn nhỏ hơn lực trượt trong tình huống thực tế nhất).
Điều kiện cán
Nhiều người trong chúng ta đã từng gặp phải trường hợp bánh xe ô tô bị trượt khi lái xe trên băng hoặc bùn. Tại sao cái nàyđang xảy ra? Chìa khóa để trả lời câu hỏi này nằm ở tỷ số giữa các giá trị tuyệt đối của lực ma sát lăn và nghỉ. Hãy viết lại công thức cuốn chiếu:
F ≧ Cr P
Khi lực F lớn hơn hoặc bằng ma sát lăn thì bánh xe bắt đầu quay. Tuy nhiên, nếu lực này vượt quá giá trị của ma sát tĩnh sớm hơn, thì bánh xe sẽ trượt sớm hơn so với thời gian lăn của nó.
Như vậy, hiệu ứng trượt được xác định bằng tỷ số giữa hệ số ma sát tĩnh và ma sát lăn.
Cách chống trượt bánh xe ô tô
Ma sát lăn của bánh xe ô tô trên bề mặt trơn trượt (ví dụ: trên băng) được đặc trưng bởi hệ số Cr=0,01-0,06. Tuy nhiên, các giá trị của cùng thứ tự đặc trưng cho hệ số ma sát tĩnh.
Để tránh nguy cơ trượt bánh xe, người ta sử dụng loại lốp "mùa đông" đặc biệt, có vặn gai kim loại. Sau đó, va vào bề mặt băng, làm tăng hệ số ma sát tĩnh.
Một cách khác để tăng ma sát tĩnh là sửa đổi bề mặt mà bánh xe di chuyển. Ví dụ: bằng cách rắc cát hoặc muối.
