Gaya gesekan. Bergalah. Gesekan kering Koefisien gesekan kering

Gaya gesek adalah gaya yang terjadi ketika suatu benda bergerak di atas permukaan benda lain. Itu selalu diarahkan berlawanan dengan arah gerakan. Gaya gesekan berbanding lurus dengan gaya tekanan normal pada permukaan gosok dan bergantung pada sifat permukaan tersebut. Hukum gesekan terkait dengan interaksi elektromagnetik yang terjadi antar benda.

Bedakan antara gesekan luar Dan intern.

Gesekan eksternal terjadi bila ada gerak relatif dua benda padat yang bersentuhan (gesekan geser atau gesekan statis).

Friksi internal diamati selama pergerakan relatif bagian-bagian benda padat yang sama (misalnya, cairan atau gas).

Membedakan kering dan cair (atau kental) gesekan.

Gesekan kering terjadi antara permukaan padatan tanpa adanya pelumasan.

Cairan(kental) adalah gesekan antara medium padat dan cair atau gas atau lapisannya.

Gesekan kering, pada gilirannya, dibagi lagi menjadi gesekan tergelincir dan gesekan bergulir.

Mari kita perhatikan hukum gesekan kering (Gbr. 4.5).

Beras. 4.5

Beras. 4.6

Mari kita bertindak pada benda yang terletak pada bidang diam dengan gaya eksternal, secara bertahap meningkatkan modulusnya. Pada awalnya, balok akan tetap tidak bergerak, yang berarti bahwa gaya luar diseimbangkan oleh suatu gaya yang diarahkan secara tangensial ke permukaan gesekan, berlawanan dengan gaya tersebut. Dalam hal ini, terdapat gaya gesek statis.

Telah ditetapkan bahwa gaya gesekan statis maksimum tidak bergantung pada luas kontak antara benda dan kira-kira sebanding dengan modulus. kekuatan tekanan normal N:

μ 0 – koefisien gesekan statis, tergantung pada sifat dan kondisi permukaan gosok.

Ketika modul gaya luar, dan modul gaya gesekan statis, melebihi nilainya F 0, benda akan mulai meluncur di sepanjang penyangga - gesekan statis F gesekan akan digantikan oleh gesekan geser F sk (Gbr. 4.6):

F tr = μ N,

(4.4.1)

Dimana μ adalah koefisien gesekan geser.

Gesekan menggelinding terjadi antara benda berbentuk bola dan permukaan tempat benda tersebut menggelinding. Gaya gesekan menggelinding mengikuti hukum yang sama dengan gaya gesekan geser, tetapi koefisien gesekannya adalah μ; di sini jauh lebih sedikit.

Mari kita perhatikan lebih dekat gaya gesekan geser pada bidang miring (Gbr. 4.7).

Sebuah benda yang terletak pada bidang miring dengan gesekan kering dikenakan tiga gaya: gravitasi, gaya reaksi tumpuan normal, dan gaya gesekan kering. Gaya tersebut merupakan resultan dari gaya-gaya dan ; itu diarahkan ke bawah sepanjang bidang miring. Dari Gambar. 4.7 jelas bahwa

F =mg dosa α, N =mg karena α.

Beras. 4.7

Jika – benda tetap tidak bergerak pada bidang miring. Sudut kemiringan maksimum ditentukan dari kondisi ( F tr) maks = F atau μ mg cosα = mg sinα, oleh karena itu, tan α max = μ, di mana μ adalah koefisien gesekan kering.

F tr = μ N = mg karena,
F =mg sinα.

Ketika α > α max benda akan menggelinding dengan percepatan

sebuah =g(sinα - μcosα),
F sk = bu = F-F tr.

Jika kekuatan ekstra F gaya luar yang diarahkan sepanjang bidang miring diterapkan pada benda, maka sudut kritis α maks dan percepatan benda akan bergantung pada besar dan arah gaya luar tersebut.

Laporan

Hukum gesekan kering. Pemodelan osilasi diri gesekan. Model Burridge dan Knopov

Gesekan keringterjadi antara permukaan padatan tanpa adanya pelumasan.

Gesekan kering, pada gilirannya, dibagi lagi menjadi gesekan tergelincirdan gesekan bergulir.

Hukum gesekan keringdirumuskan oleh Coulomb. Besarnya gaya gesek statik maksimum / No.vg bergantung pada besarnya gaya tekanan normal antar permukaan. Jika dalam percobaan kita (Gbr. 87) kita meningkatkan gaya tekanan normal, maka kira-kira sebanding dengan gaya ini, besarnya beban yang harus ditempatkan pada cangkir akan meningkat agar terjadi pergeseran.

Hukum gesekan keringCocok untuk permukaan keras. Pelumas alat ski diperlukan bukan untuk mengurangi gesekan, melainkan untuk menghilangkan kemungkinan menempelnya salju pada alat ski.

Mari kita pertimbangkan hukum gesekan kering.

Mari kita pertimbangkan dulu hukum gesekan kering. Gesekan seperti itu terjadi tidak hanya ketika satu benda meluncur di atas permukaan benda lain, tetapi juga ketika ada upaya untuk menyebabkan benda meluncur tersebut. Dalam kasus terakhir, gesekan disebut gesekan statis atau gesekan kopling. Adanya gesekan statis merupakan ciri khas gesekan kering. Dalam pengertian yang lebih umum, terlepas dari benda mana yang terjadi gesekan, disebut kering jika gaya gesekan tidak hilang ketika kecepatan relatif benda yang bersentuhan hilang. Sebaliknya gesekan disebut cairan. Mari kita berikan gaya horizontal pada balok, yang terletak pada bidang vertikal melewati pusat massanya, sedekat mungkin dengan permukaan meja, untuk mencegah balok terbalik ketika mulai bergerak. Pengalaman menunjukkan bahwa jika gaya tidak melebihi nilai tertentu, maka balok tidak bergerak. Inilah gaya gesekan, yaitu gesekan statis. Gaya gesekan yang sama, tetapi berlawanan arah, bekerja pada permukaan meja dari sisi balok.

Diagnostik getaran parameter gesekan non-Coulomb kering selama osilasi mandiri gesekan

Proses dinamis pada perangkat mekanis dengan elemen kontak dan gesekan pada pasangan kinematik, seperti pemandu penyangga peralatan mesin, sistem robot, kopling gesekan, kopling, bantalan poros, dll., dapat disertai dengan munculnya proses yang kompleks dan tidak terkontrol dengan baik, sehingga sulit dilakukan. untuk menghilangkan fenomena seperti osilasi diri gesekan. Akibat dari osilasi gesekan pada mesin adalah penurunan kualitas proses teknologi, akurasi posisi, kegagalan kelelahan dan peningkatan keausan suku cadang.

Alasan terjadinya osilasi mandiri gesekan adalah karakteristik “jatuh” nonlinier gaya gesekan kering dari kecepatan geser relatif permukaan yang bersentuhan. Dalam hal ini, penentuan parameter gesekan non-Coulomb kering, yaitu parameter gesekan non-Coulomb kering yang terus berubah terhadap waktu dan sebagai fungsi kuantitas lainnya, adalah penting dan relevan. Memecahkan masalah ini akan memungkinkan diagnosis komponen mesin yang bergesekan dan bersentuhan dengan lebih efektif, membuat perkiraan yang andal tentang perilaku dinamis pasangan kinematiknya, misalnya, memprediksi osilasi mandiri gesekan, dan juga akan memberikan kemampuan untuk mengontrol gesekan dengan sengaja. proses. Parameter yang dapat diidentifikasi dari gaya gesekan kering nonlinier yang bekerja dapat digunakan sebagai tanda diagnostik untuk menilai kondisi teknis kelas benda ini, termasuk pada tingkat dikotomis (“lumayan” - “tidak layak”).

Namun, pengukuran langsung gaya gesekan kering hanya mungkin dilakukan dengan menggunakan metode dan pendekatan tribologi dan sangat sulit diterapkan dalam sistem osilasi elastis. Oleh karena itu, untuk mengidentifikasi parameter dinamis gesekan kering, perlu menggunakan metode tidak langsung berdasarkan pengukuran respon osilasi dalam sistem dinamis.

Mari kita pertimbangkan salah satu metode yang diusulkan untuk mengidentifikasi parameter gesekan non-Coulomb kering, yang diterapkan dalam studi osilasi gesekan sendiri.

Diagram dinamis yang dihitung dari sistem yang sedang dipertimbangkan disajikan pada Gambar. 1.

Beras. 1. Skema dinamik terhitung dari sistem untuk mempelajari osilasi gesekan sendiri

Persamaan diferensial dinamika sistem ini berbentuk:

,

dimana C adalah koefisien kekakuan elemen elastis; adalah koefisien tahanan viskos; = const adalah konstanta kecepatan gerak ujung kanan elemen elastis;

hukum perubahan gaya gesekan non-Coulomb kering dengan karakteristik menurun tergantung kecepatan (Gbr. 2).

Dengan demikian, metodologi yang diusulkan, tempat uji, dan kompleks komputasi perangkat keras untuk mempelajari dinamika proses osilasi mandiri gesekan memungkinkan untuk mengidentifikasi parameter dinamis gaya gesekan non-Coulomb kering dan menerapkan prosedur diagnostik getaran atas dasar ini untuk berbagai pasangan gesekan rentan terhadap terjadinya osilasi diri gesekan.

Model Burridge dan Knopov

Model Burridge-Knopov (B-K) diciptakan lebih dari 40 tahun yang lalu untuk menjelaskan terjadinya guncangan berulang selama gempa bumi.

gesekan liontin bergulir geser

Inti dari model BK dapat dipahami dari gambar yang menunjukkan bahwa pelat bergerak dihubungkan ke pelat diam melalui N elemen diskrit (balok) yang dihubungkan satu sama lain dan pelat melalui “pegas”. Mari kita lihat salah satu bloknya. Ide dari model ini adalah selama gaya yang kurang dari ambang batas tertentu bekerja pada balok ini, maka balok tersebut tidak bergerak. Ketika ambang batas tercapai, blok tersebut “rusak” secara tiba-tiba. Pengaruh timbal balik dari blok-blok, yang terdiri dari fakta bahwa blok yang rusak menarik blok-blok lain bersamanya, dapat menyebabkan kerusakan simultan pada beberapa elemen sistem yang berdekatan. Hal ini, menurut BK, merupakan “pukulan utama” dari gempa bumi, sedangkan “lompatan” blok lainnya merupakan dampak yang berulang, atau gempa susulan. Model BK dipelajari secara eksperimental di laboratorium dan secara numerik di komputer. Hasilnya, model tersebut menunjukkan sifat-sifat yang melekat dalam hukum eksperimental pengulangan gempa Gutenberg-Richter. Dalam percobaan tersebut, diamati kesamaan guncangan utama, gempa pendahuluan, dan gempa susulan.

Selama studi eksperimental tentang perilaku sampel batuan di bawah pembebanan dengan tekanan eksternal, ditemukan bahwa gaya yang bekerja pada sampel bervariasi tergantung pada besarnya perubahan yang tercatat dalam panjang sampel dalam “bentuk gergaji”. Model B-K menemukan penjelasan geologis untuk hasil ini sebagai “stick-slip” dua lempeng di sepanjang patahan dengan adanya gesekan.

Terlepas dari kenyataan bahwa model BK diusulkan pada paruh kedua abad terakhir, minat terhadap model tersebut di kalangan ilmuwan baru meningkat dalam beberapa tahun terakhir. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa terdapat kemajuan tertentu dalam fisika fenomena nonlinier, khususnya di bidang sistem yang mengatur dirinya sendiri. Model BK diakui sebagai dasar yang sangat cocok untuk mengembangkan ide-ide ini dan memodelkan sistem yang sesuai. Selain itu, saat ini secara umum diterima bahwa model ini, dibandingkan model lainnya, paling memadai untuk menggambarkan proses gempa bumi.

Semua model BK mematuhi hukum eksperimental Gutenberg-Richter, yang menyatakan jumlah gempa N dengan energi E:

Mari kita jelaskan secara rinci versi dua dimensi model BK. Semua blok sistem terletak di platform. Ada gesekan antara platform dan balok. Setiap blok sistem dihubungkan ke empat tetangganya menggunakan pegas. Selain itu, setiap blok dihubungkan oleh pegas lain ke platform bergerak besar di atas. Pergerakan balok disebabkan oleh perpindahan relatif kedua lempeng. Ketika gaya yang bekerja pada balok menjadi lebih besar dari ambang batas tertentu (F C kritis , nilai maksimum gesekan statis), balok “putus”. Model ini mengasumsikan bahwa setelah kerusakan, gaya nol bekerja pada balok (yaitu gaya resultan adalah nol), dan gaya yang bekerja pada tetangganya dihitung ulang. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada salah satu tetangga, yang berarti reaksi berantai (gempa bumi). Jumlah total sel yang terkoyak dalam satu proses menentukan besarnya gempa yang terjadi. Untuk memulainya, mari kita bayangkan model pegas balok dua dimensi ini dalam bentuk robot seluler. Mari kita definisikan array blok berukuran L 1xL 2, kami menetapkan setiap blok koordinatnya (i, j). 1≤i≤L 1, 1≤j≤L 2.

Melalui x aku j perpindahan balok (i, j) dari posisi setimbang ditunjukkan. Gaya total yang diterapkan pada balok ini diberikan oleh:

Dimana K 1, KE 2, KE L - koefisien kekakuan pegas yang bersangkutan, x aku j - perpindahan balok (i, j) relatif terhadap posisi setimbang. Ketika salah satu lempeng bergerak relatif terhadap yang lain, gaya yang bekerja pada setiap balok terus bertambah hingga mencapai nilai kritis, setelah itu proses relaksasi dimulai.

Gesekan(interaksi gesekan) adalah proses interaksi benda-benda selama gerak relatifnya (perpindahan) atau selama gerak suatu benda dalam medium gas atau cair.

Cabang ilmu fisika yang mempelajari proses gesekan disebut tribologi(mekanisme interaksi gesekan).

Gesekan biasanya dibagi menjadi:

• kering ketika berinteraksi padatan tidak dipisahkan oleh lapisan/pelumas tambahan apa pun (termasuk pelumas padat) - kasus yang sangat jarang terjadi dalam praktiknya; ciri khas gesekan kering adalah adanya gaya gesekan statis yang signifikan;
• batas ketika area kontak mungkin berisi lapisan dan area dengan sifat berbeda (film oksida, cairan, dll.) - kasus gesekan geser yang paling umum;
• cairan(kental), yang terjadi selama interaksi benda-benda yang dipisahkan oleh lapisan padatan (bubuk grafit), cairan atau gas (pelumas) dengan ketebalan yang bervariasi - biasanya terjadi selama gesekan menggelinding, ketika benda padat direndam dalam cairan, besarnya gesekan kental ditandai dengan viskositas medium;
• Campuran ketika area kontak mengandung area gesekan kering dan cair;
• elastohidrodinamik(viskoelastik), ketika gesekan internal pada pelumas sangat penting. Terjadi ketika kecepatan gerakan relatif meningkat.

Gaya gesek- ini adalah gaya yang timbul pada titik kontak benda dan mencegah gerak relatifnya.

Penyebab gaya gesekan:

• kekasaran permukaan yang bersentuhan;
• tarik-menarik timbal balik molekul-molekul permukaan ini.

Gesekan geser– gaya yang timbul selama gerak translasi salah satu benda yang bersentuhan/berinteraksi relatif terhadap benda lain dan bekerja pada benda tersebut dalam arah yang berlawanan dengan arah geser.

Gesekan bergulir– momen gaya yang terjadi ketika salah satu dari dua benda yang bersentuhan/berinteraksi menggelinding relatif terhadap yang lain.

Friksi statis– gaya yang timbul antara dua benda yang bersentuhan dan mencegah terjadinya gerak relatif. Gaya ini harus diatasi agar dua benda yang saling bersentuhan dapat bergerak relatif satu sama lain.

Gaya gesek berbanding lurus dengan gaya reaksi normal, yaitu bergantung pada seberapa kuat tekanan benda terhadap satu sama lain dan pada materialnya, oleh karena itu ciri utama gesekan adalah koefisien gesekan, yang ditentukan oleh bahan dari mana permukaan benda yang berinteraksi dibuat.

Memakai– perubahan ukuran, bentuk, massa atau kondisi permukaan suatu produk akibat rusaknya (keausan) lapisan permukaan akibat gesekan.

Pengoperasian mesin apa pun pasti disertai dengan gesekan selama pergerakan relatif bagian-bagiannya, sehingga tidak mungkin untuk sepenuhnya menghilangkan keausan. Besarnya keausan pada kontak langsung permukaan berbanding lurus dengan kerja gaya gesekan.

Abrasi salah satunya disebabkan oleh debu dan kotoran, sehingga sangat penting untuk menjaga kebersihan peralatan, terutama bagian yang bergesekan.

Untuk mengatasi keausan dan gesekan, mereka mengganti beberapa logam dengan logam lain yang lebih stabil, menerapkan perlakuan termal dan kimia pada permukaan gosok, pemrosesan mekanis yang presisi, dan juga mengganti logam dengan berbagai pengganti, mengubah desain, meningkatkan pelumasan (mengubah tampilan, memperkenalkan bahan tambahan), dll.

Dalam mesin, mereka berusaha untuk mencegah gesekan geser langsung pada permukaan padat, yang mana permukaan tersebut dipisahkan oleh lapisan pelumas (gesekan fluida), atau elemen gelinding tambahan (bantalan bola dan rol) dimasukkan di antara keduanya.

Aturan dasar dalam merancang bagian gosok mesin adalah bahwa elemen pasangan gosok (poros) yang lebih mahal dan sulit diganti dibuat dari bahan yang lebih keras dan tahan aus (baja keras), serta lebih sederhana, lebih murah dan mudah diganti. bagian (cangkang bantalan) terbuat dari bahan yang relatif lunak dengan koefisien gesekan yang rendah (perunggu, babbitt).

Sebagian besar suku cadang mesin mengalami kerusakan justru karena keausan, sehingga mengurangi gesekan dan keausan bahkan sebesar 5-10% akan memberikan penghematan besar, dan hal ini sangat penting.

Daftar tautan

1. Gesekan // Wikipedia. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Friction.
2. Pakai (teknik) // Wikipedia. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Wear_(peralatan).
3. Gesekan pada mesin, gesekan dan keausan dalam teknik mesin // Project-Tekhnar. Teknologi otomotif progresif. – http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html.

Pertanyaan untuk kontrol

1. Apa itu gesekan?
2. Jenis gesekan apa yang ada?
3. Apa yang menyebabkan gaya gesek?
4. Bagaimana gesekan diklasifikasikan berdasarkan gaya yang bekerja?
5. Apa itu keausan dan bagaimana cara mengatasinya?

<

Gesekan- salah satu jenis interaksi antar benda. Itu terjadi ketika dua benda bersentuhan. Gesekan, seperti semua jenis interaksi lainnya, mematuhi hukum ketiga Newton: jika gaya gesekan bekerja pada salah satu benda, maka gaya dengan besaran yang sama, tetapi arahnya berlawanan, juga bekerja pada benda kedua. Gaya gesekan, seperti halnya gaya elastis, mempunyai elektromagnetik alam. Mereka muncul karena interaksi antara atom dan molekul benda yang bersentuhan.

Gaya gesekan kering adalah gaya yang timbul ketika dua benda padat bersentuhan tanpa adanya lapisan cair atau gas di antara keduanya. Mereka selalu diarahkan secara tangensial untuk menghubungi permukaan.

Ketika suatu benda padat bergerak dalam zat cair atau gas, gaya gesekan kental . Gaya gesekan viskos jauh lebih kecil dibandingkan gaya gesekan kering. Ia juga diarahkan ke arah yang berlawanan dengan kecepatan relatif benda. Dengan gesekan viskos tidak ada gesekan statis .

Pada kecepatan yang cukup rendah, besarnya gaya gesekan viskos sebanding dengan kecepatan gerak relatif benda, sebanding dengan luas S dan berbanding terbalik dengan jarak antar bidang H.

Koefisien proporsionalitas, tergantung pada jenis cairan atau gas, disebut koefisien viskositas dinamis .

Gaya gesekan viskos sangat bergantung pada kecepatan benda. Pada kecepatan rendah F tr ~ υ, dengan kecepatan tinggi F tr ~ υ 2 . Selain itu, koefisien proporsionalitas dalam rasio ini bergantung pada bentuk benda.

Ketika suatu benda berusaha untuk bergerak sepanjang permukaan benda lain pada bidang kontak benda-benda tersebut, timbul gaya resistensi terhadap gerakan relatifnya - geser, yang disebut gaya gesekan. Pola pokok fenomena ini dapat dirumuskan dalam bentuk hukum:

1. Ketika mencoba menggerakkan satu benda di sepanjang permukaan benda lain pada bidang kontak benda, timbul gaya gesekan - adhesi, yang besarnya dapat bernilai berapa pun dari nol hingga , yang disebut gaya gesekan ultimat.

Gaya gesekan diarahkan ke arah yang berlawanan dengan arah gaya kerja yang cenderung menggerakkan benda.

2. Besarnya gaya gesekan ultimit sama dengan hasil kali koefisien gesekan statis dan tekanan normal atau reaksi normal:

Koefisien gesekan statis bergantung pada bahan, suhu, kelembapan, pelumasan, dll.

3. Besarnya gaya gesek ultimit praktis tidak bergantung pada besar kecilnya permukaan yang bersentuhan selama gesekan.

Ketiga undang-undang ini secara lengkap menggambarkan fenomena tersebut.

Menggabungkan hukum pertama dan kedua, kita memperoleh bahwa pada kesetimbangan gaya gesekan statis atau

Saat bergerak, gaya gesekan diarahkan ke arah yang berlawanan dengan gerakan dan sama dengan produk koefisien gesekan dinamis dan tekanan normal:

Koefisien gesekan dinamis, antara lain, juga bergantung pada kecepatan gerak suatu benda pada permukaan benda lain.

Slobodetsky I. Gesekan kering // Quantum. - 2002. - No. 1. - Hal. 29-31.

Dengan persetujuan khusus dengan dewan redaksi dan editor jurnal "Kvant"

Mengapa mobil selip saat direm keras? Mengapa pintu yang tidak dilumasi dengan baik berdecit? Mengapa busur yang digerakkan secara merata dapat menimbulkan bunyi senar biola? Semua ini dijelaskan oleh sifat-sifat gaya gesekan, yang akan dibahas pada artikel ini.

Kami menghadapi gesekan di setiap langkah. Akan lebih tepat jika dikatakan bahwa tanpa adanya gesekan, kita tidak dapat mengambil satu langkah pun. Namun terlepas dari besarnya peran gesekan dalam kehidupan kita, gambaran yang cukup lengkap tentang terjadinya gesekan belum tercipta. Hal ini bukan disebabkan oleh fakta bahwa gesekan memiliki sifat yang kompleks, melainkan karena fakta bahwa eksperimen dengan gesekan sangat sensitif terhadap perlakuan permukaan dan oleh karena itu sulit untuk direproduksi.

Berikut ini contohnya. Fisikawan Inggris Hardy mempelajari ketergantungan gaya gesekan antara pelat kaca terhadap suhu. Dia dengan hati-hati merawat rekaman itu dengan pemutih dan mencucinya dengan air, menghilangkan lemak dan kotoran. Gesekan meningkat seiring suhu. Percobaan diulang berkali-kali, dan setiap kali diperoleh hasil yang kurang lebih sama. Namun suatu hari, saat mencuci piringan hitam, Hardy menggosoknya dengan jari - gesekan tidak lagi bergantung pada suhu. Dengan menyeka piring-piring itu, Hardy, seperti yang dia yakini, menghilangkan lapisan kaca yang sangat tipis dari piring-piring itu, yang telah mengubah sifatnya karena interaksi dengan pemutih dan air.

Ketika berbicara tentang gesekan, ada tiga fenomena fisik yang sedikit berbeda: hambatan ketika suatu benda bergerak dalam cairan atau gas - ini disebut gesekan cairan; hambatan yang terjadi pada saat suatu benda meluncur pada suatu permukaan disebut gesekan geser, atau gesekan kering; Hambatan yang timbul pada saat suatu benda menggelinding adalah gesekan menggelinding. Artikel ini membahas tentang gesekan kering.

Studi pertama tentang gesekan yang kita ketahui dilakukan oleh Leonardo da Vinci sekitar 500 tahun yang lalu. Dia mengukur gaya gesekan yang bekerja pada kayu paralelepiped yang meluncur di sepanjang papan, dan dengan menempatkan batang pada permukaan yang berbeda, dia menentukan ketergantungan gaya gesekan pada luas tumpuan. Namun karya Leonardo da Vinci baru dikenal setelah hukum klasik gesekan ditemukan kembali oleh ilmuwan Perancis Amonton dan Coulomb pada abad ke-17 dan ke-18. Ini adalah hukumnya:

1. Besarnya gaya gesekan F berbanding lurus dengan besarnya gaya tekanan normal N tubuh ke permukaan di mana tubuh bergerak, mis. F = μN, Di mana μ - koefisien tak berdimensi disebut koefisien gesekan.
2. Gaya gesekan tidak bergantung pada luas kontak antar permukaan.
3. Koefisien gesekan bergantung pada sifat permukaan gesekan.
4. Gaya gesekan tidak bergantung pada kecepatan benda.

Penelitian lebih lanjut selama tiga ratus tahun mengenai gesekan menegaskan kebenaran dari tiga hukum pertama yang diusulkan oleh Amonton dan Coulomb. Hanya yang terakhir, yang keempat, yang ternyata salah. Namun hal ini menjadi jelas kemudian,” ketika rel kereta api muncul dan para masinis menyadari bahwa ketika pengereman, kereta tidak berperilaku seperti yang diperkirakan para insinyur.

Amonton dan Coulomb menjelaskan asal mula gesekan dengan cukup sederhana. Kedua permukaannya tidak rata - ditutupi dengan punuk dan cekungan kecil. Saat bergerak, tonjolan-tonjolan tersebut menempel satu sama lain, sehingga tubuh naik dan turun sepanjang waktu. Untuk menarik suatu benda ke atas “bukit”, suatu gaya tertentu harus diterapkan padanya. Jika tonjolannya lebih besar, maka diperlukan tenaga yang lebih besar. Namun penjelasan ini bertentangan dengan satu fenomena yang sangat signifikan: energi terbuang untuk mengatasi gesekan. Jadi, sebuah kubus yang meluncur sepanjang permukaan horizontal cepat atau lambat akan berhenti. Dan dengan naik dan turun, tubuh tidak menyia-nyiakan energinya. Atau ingat naik roller coaster. Ketika kereta luncur meluncur menuruni bukit, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik, dan kecepatan kereta luncur bertambah, dan ketika kereta luncur memasuki bukit baru, energi kinetik sebaliknya berubah menjadi energi potensial. Energi kereta luncur berkurang karena gesekan, tetapi bukan karena naik dan turun: Situasi serupa terjadi ketika satu benda bergerak di sepanjang permukaan benda lain. Di sini, hilangnya energi akibat gesekan juga tidak dapat dikaitkan dengan fakta bahwa tonjolan suatu benda “naik” ke tonjolan benda lain.

Masih ada keberatan. Misalnya, percobaan sederhana yang mengukur gaya gesekan antara pelat kaca yang dipoles menunjukkan bahwa seiring dengan peningkatan pemolesan permukaan, gaya gesekan tidak berubah pada awalnya, tetapi kemudian meningkat, bukannya menurun, seperti yang diharapkan berdasarkan model fenomena yang diusulkan. oleh Amonton dan Coulomb.

Mekanisme gesekannya jauh lebih kompleks. Mari kita bahas model seperti itu. Karena ketidakrataan permukaan, mereka hanya bersentuhan satu sama lain pada titik terpisah di bagian atas tonjolan. Di sini, molekul-molekul benda yang berkontak mendekati jarak yang sepadan dengan jarak antara molekul-molekul dalam benda itu sendiri dan melekat. Ikatan yang kuat terbentuk, yang putus ketika tubuh diberi tekanan. Saat tubuh bergerak, koneksi terus-menerus tercipta dan terputus. Dalam hal ini terjadi getaran molekul. Energi terbuang karena getaran ini.

Area kontak sebenarnya biasanya berada pada urutan ribuan mikron persegi. Ini praktis tidak bergantung pada ukuran tubuh dan ditentukan oleh sifat permukaan, pemrosesannya, suhu dan kekuatan tekanan normal. Jika Anda menekan bodinya, tonjolannya akan hancur, dan area kontak sebenarnya bertambah. Gaya gesekan juga meningkat.

Dengan kekasaran permukaan yang signifikan, keterlibatan mekanis antara “bukit” mulai memainkan peran utama dalam meningkatkan gaya gesekan. Ketika mereka bergerak, mereka menjadi hancur, dan pada saat yang sama, getaran molekul juga terjadi.

Pengalaman dengan pelat kaca yang dipoles kini menjadi jelas. Meskipun permukaannya “kasar”, jumlah kontaknya kecil, tetapi setelah pemolesan yang baik, jumlah kontaknya bertambah. Contoh lain dapat diberikan tentang peningkatan gesekan seiring dengan peningkatan permukaan. Jika Anda mengambil dua batang logam dengan permukaan yang bersih dan dipoles, keduanya akan saling menempel. Gesekan di sini menjadi sangat besar, karena bidang kontak sebenarnya besar. Kekuatan kohesi molekul, yang menyebabkan gesekan, mengubah dua batang menjadi monolit.

Model gesekan yang kami pertimbangkan cukup kasar. Di sini kami tidak membahas difusi molekul, mis. tentang penetrasi molekul suatu benda ke benda lain, tentang peran muatan listrik yang timbul pada permukaan yang bersentuhan, tentang mekanisme kerja pelumas. Pertanyaan-pertanyaan ini sebagian besar tidak jelas dan penjelasannya kontroversial. Kita hanya akan terkejut bahwa dengan kompleksitas seperti itu, gesekan dijelaskan oleh hukum yang sederhana: F = μN. Dan meskipun koefisien gesekan μ tidak terlalu konstan dan agak bervariasi dari satu titik pada permukaan ke titik lainnya, untuk banyak permukaan yang sering kita jumpai dalam teknologi, kita dapat membuat perkiraan yang cukup baik mengenai gaya gesek yang diharapkan.

Gesekan kering memiliki satu ciri penting: adanya gesekan statis. Dalam zat cair atau gas, gesekan hanya terjadi ketika suatu benda bergerak, dan benda tersebut dapat digerakkan dengan memberikan gaya yang sangat kecil sekalipun padanya. Namun, dengan gesekan kering, benda mulai bergerak hanya ketika proyeksi gaya \(~\vec F\) yang diterapkan padanya pada bidang yang bersinggungan dengan permukaan tempat benda berada menjadi lebih besar dari nilai tertentu (Gbr. 2). 1). Sampai benda mulai meluncur, gaya gesekan yang bekerja padanya sama dengan komponen tangensial gaya yang diterapkan dan diarahkan ke arah yang berlawanan. Dengan meningkatnya gaya yang diterapkan, gaya gesekan juga meningkat hingga mencapai nilai maksimum yang sama dengan μN, di mana perosotan dimulai. Selanjutnya gaya gesek tidak berubah.

Hal ini sering dilupakan ketika menyelesaikan masalah. Ketika ditanya berapa gaya gesek yang bekerja pada meja bermassa 30 kg yang berdiri di lantai jika koefisien gesekannya 0,4, mayoritas dengan yakin menjawab: 120 N, mana yang salah. Gaya gesekan adalah nol - jika tidak, meja akan bergerak searah dengan gaya gesekan, karena tidak ada gaya horizontal lainnya.

Jadi, jika suatu benda dalam keadaan diam, maka untuk memindahkannya dari tempatnya, suatu gaya harus diberikan pada benda yang lebih besar dari gaya gesekan statis maksimum yang mungkin, yang ditentukan oleh kekuatan ikatan molekul. Namun apa jadinya jika tubuh sudah bergerak? Gaya apa yang harus diberikan agar benda mulai bergerak ke arah lain? Ternyata ukurannya bisa sekecil yang Anda suka. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa gaya gesekan tidak boleh lebih besar dari gaya gesekan statis maksimum.

Cobalah eksperimen sederhana. Ambil sebuah buku dan letakkan dengan satu sisi di atas buku lain yang lebih tebal. Hasilnya adalah bidang miring. Sekarang letakkan kotak korek api dengan benang terpasang di bidang ini. Jika kotaknya tergelincir, kurangi kemiringan bidangnya dengan mengambil dudukan buku yang lebih tipis. Tarik rangkaian kotak ke samping. Di saat yang sama, dia juga akan jatuh! Kurangi kemiringan bidang dan tarik benang lagi. Gambar yang sama. Kotak itu tergelincir bahkan pada sudut kemiringan bidang yang sangat kecil. Entah kenapa, gaya gesek yang sebelumnya menahan kotak-kotak itu menjadi rata menjadi sangat kecil.

Mari kita coba memahami apa yang terjadi di sini. Jika kotak hanya digerakkan secara horizontal, maka sejajar dengan tepi bidang miring maka kotak tersebut akan dikenai gaya gesek sebesar μN. Agar kotak tidak meluncur ke bawah, harus ada gaya gesek yang bekerja ke atas, yang besarnya sama dengan proyeksi gaya gravitasi kotak pada bidang miring. Resultan kedua gaya gesek ini lebih besar μN, a-ini tidak mungkin. Artinya kotak harus meluncur keluar dari bidang miring.

Sekarang mari kita bayangkan situasi seperti ini. Mari kita ambil sebuah balok, ikatkan seutas benang padanya dan, dengan menempatkan balok pada bidang horizontal, kita akan menarik benang dengan kecepatan konstan υ 1, (Gbr. 2). Dengan menerapkan gaya tegak lurus pada balok \(~\vec \upsilon_1\), balok juga dapat dibuat bergerak ke arah ini dengan kecepatan konstan \(~\vec \upsilon_2\). Gaya gesekan akan sama dengan μN dan arahnya berlawanan dengan kecepatan \(~\vec \upsilon\) pergerakan balok relatif terhadap bidang (\(~\vec \upsilon = \vec \upsilon_1 + \vec \upsilon_2\)).

Mari kita menguraikan gaya gesekan menjadi dua komponen - dalam arah kecepatan \(~\vec \upsilon_1\) dan \(~\vec \upsilon_2\):

\(~\begin(matriks) F_1 = F_(TP) \cos \beta \\ F_2 = F_(TP) \sin \beta \end(matriks)\) ,

Di mana β - sudut antara vektor \(~\vec \upsilon_1\) dan \(~\vec \upsilon\), a \(~\operatorname(tg) \beta = \frac(\upsilon_2)(\upsilon_1)\) . Komponen \(~\vec F_1\) dari gaya gesekan menyeimbangkan gaya tegangan benang, dan komponen \(~\vec F_2\) adalah gaya “lateral” yang diterapkan pada balok. Karena

\(~\sin \beta = \frac(\operatorname(tg) \beta)(\sqrt(1 + \operatorname(tg)^2 \beta))\) ,

\(~F_2 = F_(TP) \frac(\frac(\upsilon_2)(\upsilon_1))(\sqrt(1 + \left(\frac(\upsilon_2)(\upsilon_1) \kanan)^2)) = F_(TP) \frac(\upsilon_2)(\sqrt(\upsilon^2_1 + \upsilon^2_2))\) .

Jika υ 2 << υ 1, lalu sudutnya β kecil dan berdosa β ≈ tg β . Pada kasus ini

\(~F_2 = F_(TP) \namaoperator(tg) \beta = \mu N \frac(\upsilon_2)(\upsilon_1)\) ,

dan komponen gaya gesekan yang mencegah balok bergerak “ke samping” ternyata sebanding dengan kecepatan pergerakan tersebut. Gambarannya ternyata sama seperti pada kecepatan rendah jika terjadi gesekan cairan. Artinya, sebuah balok yang bergerak pada arah tertentu juga dapat dibuat bergerak tegak lurus dengan gaya yang kecil.

Kesimpulan menarik sekarang dapat ditarik mengenai sebuah kotak yang bergerak beraturan sepanjang bidang miring (Gbr. 3). Di sini \(~F_2 = mg \sin \alpha\), a \(~N = mg \cos \alpha\) ( M- kotak beban, α - sudut kemiringan bidang terhadap cakrawala). Itu sebabnya

\(~mg \sin \alpha = \mu mg \cos \alpha \frac(\upsilon_2)(\sqrt(\upsilon^2_1 + \upsilon^2_2))\) ,

\(~\upsilon_2 = \upsilon_1 \frac(\operatorname(tg) \alpha)(\sqrt(\mu^2 - \operatorname(tg)^2 \alpha))\) .

Hal ini tentu saja benar hanya untuk tg α < μ , karena pada sudut kemiringan bidang yang besar terhadap cakrawala, kotak-kotak tersebut tidak lagi tertahan pada bidang karena gesekan. Pada sudut kemiringan bidang yang kecil terhadap cakrawala (sehingga tg α << μ )

\(~\upsilon_2 = \upsilon_1 \frac(\nama operator(tg) \alpha)(\mu)\) ,

itu. kecepatan geser kotak sebanding dengan kecepatan pergerakannya sejajar tepi bidang miring dan garis singgung sudut kemiringan bidang terhadap cakrawala.

Fenomena tersebut cukup sering terjadi. Misalnya, saat motor listrik direm tajam, sabuk transmisi sering lepas dari puli. Hal ini terjadi karena ketika mesin direm, sabuk mulai selip relatif terhadap puli, dan sedikit gaya sudah cukup untuk menggerakkan sabuk ke samping. Karena biasanya terdapat sedikit ketidaksejajaran pada pemasangan puli dan sabuk, gaya ini merupakan komponen gaya tegangan sabuk.

Berikut contoh lainnya. Ketika mereka ingin mencabut paku dari dinding tanpa bantuan tang, mereka membengkokkannya dan menyeretnya sambil memutarnya pada porosnya. Untuk alasan yang sama, ketika melakukan pengereman yang tajam, mobil kehilangan kendali dan mobil “tergelincir”: roda tergelincir di sepanjang jalan, dan karena ketidakrataan jalan, timbul gaya lateral.

Sekarang mari kita membahas hukum terakhir Amonton-Coulomb: gaya gesekan tidak bergantung pada kecepatan benda. Hal ini tidak sepenuhnya benar. Pertanyaan tentang ketergantungan gaya gesekan pada kecepatan mempunyai arti praktis yang sangat penting. Dan meskipun eksperimen di sini penuh dengan banyak kesulitan tertentu, eksperimen tersebut membuahkan hasil dengan menggunakan informasi yang diperoleh - misalnya, dalam teori pemotongan logam, dalam menghitung pergerakan peluru dan peluru di dalam laras, dll.

Biasanya diyakini bahwa untuk menggerakkan suatu benda, harus diberikan lebih banyak gaya daripada menyeret benda tersebut. Dalam kebanyakan kasus, hal ini disebabkan oleh kontaminasi pada permukaan benda yang bergesekan. Jadi, untuk logam murni, lonjakan gaya gesekan seperti itu tidak diamati. Eksperimen dengan pergerakan peluru dalam laras telah menunjukkan bahwa dengan meningkatnya kecepatan peluru, besarnya gaya gesekan mula-mula berkurang dengan cepat, kemudian berkurang semakin lambat, dan kemudian (pada kecepatan lebih dari 100 m/s) dimulai. meningkatkan. Grafik gaya gesekan versus kecepatan ditunjukkan pada Gambar 4. Secara kasar, hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa banyak panas yang dihasilkan pada titik kontak. Pada kecepatan sekitar 100 m/s, suhu pada titik kontak dapat mencapai beberapa ribu derajat, dan lapisan logam cair terbentuk di antara permukaan - gesekan menjadi cair. Dan pada kecepatan tinggi, gaya gesekan zat cair sebanding dengan kuadrat kecepatannya.

Menariknya, gaya gesek busur pada tali mempunyai ketergantungan yang kurang lebih sama terhadap kecepatan. Itu sebabnya kita bisa mendengarkan permainan alat musik membungkuk - biola, cello, viola.

Dengan gerakan busur yang seragam, talinya terbawa dan diregangkan. Seiring dengan tegangan senar, gaya gesekan antara busur dan senar bertambah. Ketika besarnya gaya gesekan menjadi maksimum, tali mulai tergelincir relatif terhadap haluan. Jika gaya gesekan tidak bergantung pada kecepatan relatif busur dan tali, maka jelas simpangan tali dari posisi setimbang tidak akan berubah. Namun ketika tergelincir, gesekannya berkurang, sehingga tali mulai bergerak menuju posisi setimbang. Pada saat yang sama, kecepatan relatif tali meningkat, dan ini semakin mengurangi gaya gesekan. Ketika senar, setelah bergetar, bergerak ke arah yang berlawanan, kecepatannya relatif terhadap busur berkurang, busur kembali meraih senar, dan semuanya terulang kembali. Beginilah cara senar bergetar. Osilasi ini tidak teredam, karena energi yang hilang oleh tali selama pergerakannya setiap kali diisi kembali oleh kerja gaya gesekan, yang menarik tali ke posisi di mana tali putus.

Dengan ini kita dapat menyelesaikan artikel tentang gesekan kering - sebuah fenomena yang sifatnya belum cukup kita pahami, namun kita dapat menjelaskannya dengan bantuan hukum yang dipenuhi dengan akurasi yang memuaskan. Hal ini memberi kita kesempatan untuk menjelaskan banyak fenomena fisik dan membuat perhitungan yang diperlukan.