בקטע מיוחד של פיזיקה - דינמיקה, כאשר הם חוקרים את תנועת הגופים, הם רואים את הכוחות הפועלים על המערכת הנעה. האחרון יכול לבצע גם עבודה חיובית וגם שלילית. שקול במאמר זה מהי עבודתו של כוח החיכוך וכיצד הוא מחושב.
קונספט העבודה בפיזיקה
בפיסיקה, המושג "עבודה" שונה מהרעיון הרגיל של המילה הזו. העבודה מובנת כגודל פיזיקלי, השווה למכפלה הסקלרית של וקטור הכוח ווקטור התזוזה של הגוף. נניח שיש עצם כלשהו שעליו פועל הכוח F¯. מכיוון שלא פועלים עליו כוחות אחרים, וקטור התזוזה שלו l¯ יעלה בקנה אחד עם הווקטור F¯. המכפלה הסקלרית של הוקטורים הללו במקרה זה תתאים למכפלת המודולים שלהם, כלומר:
A=(F¯l¯)=Fl.
הערך A הוא העבודה שנעשה על ידי הכוח F¯ כדי להזיז את האובייקט למרחק l. בהתחשב במידות הערכים F ו-l, אנו מוצאים שהעבודה נמדדת בניוטון למטר (Nמ') במערכת SI. עם זאת, היחידהל-Nm יש שם משלו - זה ג'ול. המשמעות היא שמושג העבודה זהה למושג האנרגיה. במילים אחרות, אם כוח של 1 ניוטון מזיז גוף 1 מטר, אזי עלויות האנרגיה המתאימות הן 1 ג'ול.
מהו כוח החיכוך?
לימוד שאלת עבודתו של כוח החיכוך אפשרי אם אתה יודע על איזה סוג של כוח אנחנו מדברים. חיכוך בפיזיקה הוא תהליך המונע כל תנועה של גוף אחד על פני השטח של גוף אחר כאשר משטחים אלה מובאים במגע.
אם ניקח בחשבון רק גופים מוצקים, אז ישנם שלושה סוגי חיכוך עבורם:
- rest;
- slip;
- רולינג.
כוחות אלה פועלים בין משטחים המגעים ומופנים תמיד נגד תנועת גופים.
חיכוך במנוחה מונע את התנועה עצמה, חיכוך החלקה מתבטא בתהליך התנועה, כאשר משטחי גופים מחליקים זה על זה, וקיים חיכוך מתגלגל בין הגוף המתגלגל על המשטח לבין המשטח עצמו.
דוגמה לפעולה של חיכוך סטטי היא מכונית שנמצאת על בלם היד על צלע גבעה. חיכוך החלקה מתבטא כאשר גולש נע על שלג או מחליק נע על קרח. לבסוף, חיכוך מתגלגל פועל בזמן שגלגל המכונית נע לאורך הכביש.
כוחות עבור כל שלושת סוגי החיכוך מחושבים באמצעות הנוסחה הבאה:
Ft=µtN.
כאן N הוא כוח תגובת התמיכה, µt הוא מקדם החיכוך. כוח Nמראה את גודל הפגיעה של התמיכה על הגוף בניצב למישור המשטח. לגבי הפרמטר µt, הוא נמדד בניסוי עבור כל זוג חומרי שפשוף, למשל, עץ-עץ, פלדה-שלג וכו'. התוצאות הנמדדות נאספות בטבלאות מיוחדות.
לכל כוח חיכוך, למקדם µt יש ערך משלו עבור צמד החומרים שנבחר. לפיכך, מקדם החיכוך הסטטי גדול מזה של חיכוך החלקה בכמה עשרות אחוזים. בתורו, מקדם הגלגול הוא 1-2 סדרי גודל פחות מזה של החלקה.
עבודה של כוחות חיכוך
כעת, לאחר שהכרתם את מושגי העבודה ועם סוגי החיכוך, תוכלו לעבור ישירות לנושא המאמר. בואו נשקול לפי הסדר את כל סוגי כוחות החיכוך ונבין איזו עבודה הם עושים.
בוא נתחיל עם חיכוך סטטי. סוג זה מתבטא כאשר הגוף אינו זז. מכיוון שאין תנועה, וקטור התזוזה שלו l¯ שווה לאפס. המשמעות האחרונה היא שגם העבודה של כוח החיכוך הסטטי שווה לאפס.
חיכוך החלקה, בהגדרה, פועל רק כאשר הגוף נע במרחב. מכיוון שכוח החיכוך מסוג זה מופנה תמיד נגד תנועת הגוף, זה אומר שהוא עושה עבודה שלילית. ניתן לחשב את הערך של A באמצעות הנוסחה:
A=-Ftl=-µtNl.
עבודת כוח החיכוך המחליק מכוונת להאטת תנועת הגוף. כתוצאה מעבודה זו, האנרגיה המכנית של הגוף הופכת לחום.
חיכוך מתגלגל, כמו החלקה, כרוך גם בתנועת גוף. כוח החיכוך המתגלגל עושה עבודה שלילית, ומאט את הסיבוב הראשוני של הגוף. מכיוון שאנו מדברים על סיבוב הגוף, נוח לחשב את ערך עבודתו של כוח זה באמצעות עבודת המומנטום שלו. הנוסחה המתאימה כתובה כ:
A=-Mθ כאשר M=FtR.
כאן θ היא זווית הסיבוב של הגוף כתוצאה מסיבוב, R הוא המרחק מהמשטח לציר הסיבוב (רדיוס הגלגל).
בעיה עם כוח חיכוך החלקה
ידוע שגוש עץ נמצא בקצה מישור עץ משופע. המטוס נוטה לאופק בזווית של 40o. בידיעה שמקדם החיכוך ההחלקה הוא 0.4, אורך המישור הוא 1 מטר, ומסת המוט מתאימה ל-0.5 ק ג, יש צורך למצוא את עבודת החיכוך ההחלקה.
חשב את כוח החיכוך ההחלקה. זה שווה ל:
Ft=mgcos(α)µt=0.59.81cos(40 o)0, 4=1.5 N.
אז העבודה המתאימה A תהיה:
A=-Ftl=-1.51=-1.5 J.
בעיית חיכוך מתגלגל
ידוע שהגלגל התגלגל לאורך הכביש למרחק מה ועצר. קוטר הגלגל הוא 45 ס"מ. מספר הסיבובים של הגלגל לפני העצירה הוא 100. אם לוקחים בחשבון את מקדם הגלגול השווה ל-0.03, יש צורך למצוא למה שווה עבודת כוח החיכוך המתגלגל. מסת הגלגל היא 5 ק"ג.
ראשית, בואו נחשב את רגע החיכוך המתגלגל:
M=FtR=µtmgD/2=0.0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
אם מספר הסיבובים שעשה הגלגל מוכפל ברדיאנים של 2pi, אז נקבל את זווית הסיבוב של הגלגל θ. אז הנוסחה לעבודה היא:
A=-Mθ=-M2pin.
כאשר n הוא מספר המהפכות. בהחלפת הרגע M והמספר n מהתנאי, נקבל את העבודה הנדרשת: A=- 207.87 J.
