در بخش خاصی از فیزیک - دینامیک، وقتی حرکت اجسام را مطالعه می کنند، نیروهای وارد بر سیستم متحرک را در نظر می گیرند. دومی می تواند هر دو کار مثبت و منفی انجام دهد. در این مقاله در نظر بگیرید که کار نیروی اصطکاک چیست و چگونه محاسبه می شود.
مفهوم کار در فیزیک
در فیزیک، مفهوم "کار" با ایده معمولی این کلمه متفاوت است. کار به عنوان یک کمیت فیزیکی درک می شود که برابر با حاصل ضرب اسکالر بردار نیرو و بردار جابجایی بدن است. فرض کنید جسمی وجود دارد که نیروی F بر روی آن اثر می کند. از آنجایی که هیچ نیروی دیگری روی آن وارد نمی شود، بردار جابجایی l در جهت با بردار F منطبق خواهد شد. حاصل ضرب اسکالر این بردارها در این حالت با حاصلضرب ماژول های آنها مطابقت دارد، یعنی:
A=(F¯l¯)=Fl.
مقدار A کاری است که توسط نیروی F¯ برای حرکت دادن جسم به فاصله l انجام می شود. با در نظر گرفتن ابعاد مقادیر F و l، متوجه می شویم که کار بر حسب نیوتن بر متر (Nm) در سیستم SI اندازه گیری می شود. با این حال، واحدNm نام خاص خود را دارد - یک ژول است. یعنی مفهوم کار همان مفهوم انرژی است. به عبارت دیگر، اگر نیروی 1 نیوتن جسمی را به اندازه 1 متر حرکت دهد، هزینه انرژی مربوطه 1 ژول است.
نیروی اصطکاک چقدر است؟
مطالعه مسئله کار نیروی اصطکاک در صورتی امکان پذیر است که بدانید در مورد چه نوع نیرویی صحبت می کنیم. اصطکاک در فیزیک فرآیندی است که از هرگونه حرکت یک جسم بر روی سطح جسم دیگر در هنگام برخورد این سطوح جلوگیری می کند.
اگر فقط اجسام جامد را در نظر بگیریم، سه نوع اصطکاک برای آنها وجود دارد:
- استراحت;
- لغزش;
- غلت.
این نیروها بین سطوح در تماس عمل می کنند و همیشه بر خلاف حرکت اجسام هستند.
اصطکاک در حال استراحت از خود حرکت جلوگیری می کند، اصطکاک لغزشی در فرآیند حرکت خود را نشان می دهد، زمانی که سطوح اجسام روی یکدیگر می لغزند و اصطکاک غلتشی بین جسمی که روی سطح می غلتد و خود سطح وجود دارد.
نمونه ای از عمل اصطکاک ایستا خودرویی است که روی ترمز دستی در دامنه تپه قرار دارد. اصطکاک لغزشی زمانی خود را نشان می دهد که یک اسکی باز روی برف حرکت می کند یا یک اسکیت باز روی یخ حرکت می کند. در نهایت، اصطکاک غلتشی زمانی که چرخ خودرو در امتداد جاده حرکت می کند، عمل می کند.
نیروها برای هر سه نوع اصطکاک با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شوند:
Ft=μtN.
در اینجا N نیروی واکنش پشتیبانی است، μt ضریب اصطکاک است. نیروی Nبزرگی ضربه تکیه گاه بر روی بدنه عمود بر صفحه سطح را نشان می دهد. در مورد پارامتر μt، به طور تجربی برای هر جفت مواد مالشی، به عنوان مثال، چوب-چوب، فولاد-برف و غیره اندازه گیری می شود. نتایج اندازه گیری شده در جداول ویژه جمع آوری شده است.
برای هر نیروی اصطکاک، ضریب μt برای جفت مواد انتخاب شده مقدار خاص خود را دارد. بنابراین، ضریب اصطکاک استاتیکی چند ده درصد بیشتر از ضریب اصطکاک لغزشی است. به نوبه خود، ضریب نورد 1-2 مرتبه بزرگی کمتر از لغزش است.
کار نیروهای اصطکاک
اکنون با آشنایی با مفاهیم کار و انواع اصطکاک، می توانید مستقیماً به موضوع مقاله بروید. بیایید انواع نیروهای اصطکاک را به ترتیب در نظر بگیریم و بفهمیم که آنها چه کاری انجام می دهند.
بیایید با اصطکاک استاتیک شروع کنیم. این نوع زمانی خود را نشان می دهد که بدن حرکت نمی کند. از آنجایی که هیچ حرکتی وجود ندارد، بردار جابجایی آن l برابر با صفر است. دومی به این معنی است که کار نیروی اصطکاک ساکن نیز برابر با صفر است.
اصطکاک لغزشی، طبق تعریف، تنها زمانی عمل می کند که بدن در فضا حرکت می کند. از آنجایی که نیروی این نوع اصطکاک همیشه بر خلاف حرکت بدن است، به این معنی است که کار منفی انجام می دهد. مقدار A را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
A=-Ftl=-µtNl.
کار نیروی اصطکاک لغزشی با هدف کاهش سرعت حرکت بدن است. در نتیجه این کار، انرژی مکانیکی بدن به گرما تبدیل می شود.
اصطکاک غلتشی، مانند لغزش، شامل حرکت بدن نیز می شود. نیروی اصطکاک غلتشی کار منفی انجام می دهد و چرخش اولیه بدن را کند می کند. از آنجایی که ما در مورد چرخش بدن صحبت می کنیم، محاسبه مقدار کار این نیرو از طریق کار تکانه آن راحت است. فرمول مربوطه به صورت: نوشته می شود
A=-Mθ که در آن M=FtR.
در اینجا θ زاویه چرخش بدن در نتیجه چرخش است، R فاصله از سطح تا محور چرخش (شعاع چرخ) است.
مشکل نیروی اصطکاک لغزشی
معروف است که یک بلوک چوبی در لبه یک صفحه چوبی شیبدار قرار دارد. این هواپیما با زاویه 40o به افق متمایل است. با دانستن اینکه ضریب اصطکاک لغزشی 0.4، طول صفحه 1 متر و جرم میله برابر با 0.5 کیلوگرم است، باید کار اصطکاک لغزشی را پیدا کرد.
نیروی اصطکاک لغزشی را محاسبه کنید. برابر است با:
Ft=mgcos(α)µt=0.59.81cos(40 o)0، 4=1.5 N.
پس کار مربوطه A خواهد بود:
A=-Ftl=-1.51=-1.5 J.
مشکل اصطکاک غلتشی
معلوم است که چرخ برای مسافتی در جاده غلتید و ایستاد. قطر چرخ 45 سانتی متر است تعداد دور چرخ قبل از توقف 100 دور با در نظر گرفتن ضریب غلتش معادل 0.03 باید مشخص شود که کار نیروی اصطکاک غلتش برابر است. جرم چرخ 5 کیلوگرم است.
ابتدا، بیایید لحظه اصطکاک غلتشی را محاسبه کنیم:
M=FtR=μtmgD/2=0.0359، 81 0، 45/2=0، 331 نیوتنمتر.
اگر تعداد دورهای چرخ در 2pi رادیان ضرب شود، زاویه چرخش چرخ θ را بدست می آوریم. سپس فرمول کار این است:
A=-Mθ=-M2pin.
جایی که n تعداد دورهاست. با جایگزینی لحظه M و عدد n از شرط، کار مورد نیاز را بدست می آوریم: A=- 207.87 J.
