Fortele de frecare

Sa consideram un corp care aluneca pe suprafata altui corp.

Cele doua suprafete in contact, oricat de bine ar fi lustruite mai au inca asperitati pe care, chiar daca nu le vedem cu ochiul liber la putem vedea la microscop.

Asperitatile acestea constituie tot atatea piedici si corpul, daca nu este in stare sa le sara, sa le rupa, sa le indoie, va ramane in repaus. Alunecarea intampina deci o forta de opunere, pe care o numim frecare si forta tangentiala minima, in stare sa scoata corpul din repaus este, evident egala si opusa ca sens acestei frecari.

Forta de frecare actioneaza tangential si se opune alunecarii unui corp, pe o suprafata data.

Este de asemenea evident ca, atata vreme cat forta de frecare este exact compensata de forta exterioara aplicata, corpul nu se mai poate misca decat uniform, o data scos din repaus.

Daca forta exterioara depaseste frecarea, diferenta lor va servi ca sa accelereze miscarea.

Legile frecarii pot fi cercetate cu dispozitivul experimental din fig.1(Anexa1) unde o sanie de greutate cunoscuta poate sa alunece pe un plan inclinat.

Daca marim treptat inclinatia planului, pana cand sania se misca uniform la vale, realizam conditia ca forta tangentiala F_t, care apare prin descompunerea greutatii proprii a corpului, sa fie egala cu forta opusa de frecare F.

Pe de alta parte, corpul apasa pe plan cu forta normala F_n si din figura (fig. 1 Anexa1) se vede imediat ca raportul dintre intensitatile fortei de frecare si fortei normale este :

F tga

F_n

El poate fi determinat prin masurarea directa a unghiului de inclinatie.

Expresia ne arata ca acest raport nu depinde nici de greutatea corpului care aluneca, nici de marimea suprafetelor de contact, insa depinde de natura si de gradul de slefuire ale acestor suprafete.

Pentru toate suprafetele de aceeasi natura si cu acelasi grad de slefuire, raportul constant F m=tga reprezinta, prin definitie, coeficientul de frecare.

F_n

Pentru suprafetele de aceeasi natura si de acelasi grad de slefuire

F=m , unde m este coeficientul de frecare.

F_n

Pe o suprafata orizontala, forta normala este insasi greutatea corpului pe care, ca sa-l miscam uniform va trebui sa aplicam o forta tangentiala egala cu forta de frecare.

Daca notam aceasta greutate cu P vom avea evident

F=µP .

Coeficientul de frecare, definit prin raportul a 2 forte apare deci ca o simpla cantitate numerica si ne arata cu cat trebuie sa inmultim greutatea unui corp ca sa aflam forta necesara sa-l miste uniform pe o suprafata orizontala.

Se dau mai jos valorile coeficientului de frecare, in cateva cazuri speciale:

Stejar pe stejar slefuit (fibre paralele)........ μ =0,6

Stejar pe stejar slefuit (fibre perpendiculare)...... μ =0,5

Fier pe fier slefuit............... μ =0,16

Fier pe gheata.................. μ =0,03

Aceste date sunt, bineinteles, numai aproximative, fiindca depind de gradul de slefuire.

O cercetare mai amanuntita ne arata ca relatia de definitie

F=µP

Corespunde numai unei prime aproximatii, fiindca de fapt coeficientul de frecare depinde si de viteza relativa a miscarii, pe suprafata data.

El este mai mare in momentul cand corpul paraseste pozitia de repaus, apoi scade cand viteza creste, ca sa creasca iarasi la vitezele mari.

Coeficientul de frecare depinde de viteza relativa a miscarii. El este mai mare la pornire sau la viteze mai mari.

De aceea in practica va trebui sa facem o deosebire intre frecare de pornire (de demaraj) si frecarea de miscare.

Experienta zilnica ne arata, intr-adevar, ca este mai greu sa urnim un corp din repaus decat sa-l obligam sa alunece pe o suprafata orizontala, o data ce a pornit.

Pe de alta parte, cresterea frecarii cu viteza ne face sa intelegem de ce o piatra de polizor se toceste mult mai repede la vitezele mari.

In toate fenomenele descrise, am facut abstractie de cazurile in care greutatea proprie a corpului ce aluneca este asa de mare incat ajunge sa-l cufunde in suprafata de sprijin fiindca atunci nu mai poate fi vorba de frecare, ci de un proces de rupere, in care toate fortele puse in joc sunt incomparabil de mari.

Putem patina pe gheat, dar nimeni nu se gandeste sa patineze pe zapada moala. Acolo folosim skiurile , tocmai ca sa evitam scufundarea.

In alta ordine de idei, o experienta milenara a aratat omenirii ca frecarea de rostogolire a unui corp rotund este mult mai mica decat frecarea de alunecare.

Oricine stie ca este mult mai usor sa deplasam un corp greu, cand punem sub el niste drugi rotunzi de lemn.

Asa s-a nascut ideea rulmentilor cu bile, pe care tehnica moderna ii foloseste la scara mare la masini si la vehicule. (vezi fig.2-a, 2-b)

Frecarile devin atunci de cateva sute de ori mai mici decat la o simpla alunecare.

Eficacitatea rulmentilor este cu atat mai mare, cu cat otelul din care sunt facuti este mai dur fiindca deformarile prin cufundare sunt atunci reduse la minim.

Din cele aratate mai sus, frecarea se manifesta ca o absorbtie de lucru mecanic si experienta ne arata ca, in schimb apare o cantitate corespunzatoare de caldura.

Evident aceasta transformare nu poate fi decat suparatoare, cand sustrage folosintei noastre o parte din energia mecanica pe care avem interesul s-o folosim integral.

Frecarea absoarbe energie macanica si o transforma in caldura.

Cu toate aceste inconveniente, frecarea mai are totusi avantaje practice vadite, fiindca daca nu ar exista, orice vehicul sau pieton ar putea deveni un sistem izolat, incapabil sa se miste din loc sau sa se opreasca, o data pus in miscare.

Am interpretat aparitia fortelor de frecare prin actiunea de franare a asperitatilor de pe suprafetele de contact.

Se pune intrebarea : ce s-ar intampla daca, printr-o slefuire cat mai buna, am cauta sa supriman aceste asperitti?

Aici tot experienta ne arata ca frecarea, in loc sa scada, incepe sa creasca, daca impingen slefuirea prea departe.

Aceasta se datoreaza interventiei fenomenelor de adeziune, adica de atractia reciproca dintre moleculelor celor doua suprafete de contact care, prin reducerea asperitatilor au ajuns unele in campul de actiune al celorlalte.

La un grad de slefuire destul de inaintat, doua placi de otel adera una la alta in asa masura, incat este nevoie de o forta de cateva zeci de kilograme pe centimetru patrat, ca sa le putem deslipi.

Apasarea crescand, va creste si forta de frecare.

Frana lui Prony

Absorbtia de lucru mecanic prin frecare ne permite sa construim un dispozitiv special, numit frana lui Prony, cu care putem determina puterea unui motor oarecare.

Doua talpi de lemn T si T', prevazute cu buloane de strangere sunt aplicate pe roata de transmisie a motorului (fig. 3)

Pe una dinre ele se fixeaza o parghie P, la capatul careia se atarna un platan pentru greutati etalonate.

Variind aceste greutati si strangand treptat buloanele, facem asa ca parghia sa stea orizontal, cand masina se roteste cu viteza unghiulara prescrisa. In cazul acesta, puterea debitata de masina este integral absorbita de frecarile franei.

Raza rotii de transmisie fiind r, momentul fortei de frecare F va fi egal cu momentul greutatii mg de pe platan.

Vom avea deci :

rF=mgl ,

sau        

F=mgl .

r

Daca masina face f rotatii pe secunda, drumul parcurs de forta F este 2πrf, in unitatea de timp.

De aici deducem putere debitata

P=2πrfF=2πfmgl

P=2πrfF=2πfmgl ,

Pe care o exprimam in eati, cand celelalte marimi sunt exprimate in unitati MKS.

Prin frecare frana se incalzeste peternic. De aceea trebuie mereu stropita mereu cu apa.

BIBLIOGRAFIE

Fizica generala de Alexandru Cisman, Editura Tehnica

Bucuresti-1959, volumul I, editia a IIa

Arborele lumii

Dictionar enciclopedic roman Editura Politica

Bucuresti-1966, volumul II