Berzes spēks ir fizisks lielums, kas novērš jebkādu ķermeņa kustību. Tas parasti notiek, kad ķermeņi pārvietojas cietā, šķidrā un gāzveida vielā. Cilvēka dzīvē liela nozīme ir dažāda veida berzes spēkiem, kas novērš pārmērīgu ķermeņu ātruma palielināšanos.
Berzes spēku klasifikācija
Vispārējā gadījumā visu veidu berzes spēkus raksturo trīs veidi: slīdēšanas, rites un atpūtas berzes spēks. Pirmais ir statisks, pārējās divas ir dinamiskas. Berze miera stāvoklī neļauj ķermenim sākt kustēties, savukārt, slīdot, berze pastāv, kad ķermenis kustības laikā berzējas pret cita ķermeņa virsmu. Ritošā berze rodas, pārvietojoties apaļam priekšmetam. Ņemsim piemēru. Spilgts šāda veida (rites berzes spēks) piemērs ir automašīnas riteņu kustība pa asf altu.
Berzes spēku būtība ir mikroskopisku nepilnību esamība starp divu ķermeņu berzes virsmām. Šī iemesla dēļ iegūtais spēks iedarbojas uzobjekts, kas kustas vai sāk kustēties, sastāv no balsta normālās reakcijas spēka N, kas vērsts perpendikulāri saskarē esošo ķermeņu virsmai, un berzes spēka F summas. Pēdējais ir vērsts paralēli saskares virsma un ir pretēja ķermeņa kustībai.
Berze starp divām cietām vielām
Apsverot jautājumu par dažāda veida berzes spēkiem, diviem cietiem ķermeņiem tika novēroti šādi modeļi:
- Berzes spēks ir vērsts paralēli atbalsta virsmai.
- Berzes koeficients ir atkarīgs no saskarē esošo virsmu rakstura, kā arī no to stāvokļa.
- Maksimālais berzes spēks ir tieši proporcionāls parastajam spēkam vai atbalsta reakcijai, kas darbojas starp saskares virsmām.
- Tiem pašiem ķermeņiem berzes spēks ir lielāks, pirms ķermenis sāk kustēties, un pēc tam samazinās, kad ķermenis sāk kustēties.
- Berzes koeficients nav atkarīgs no kontakta laukuma, un tas praktiski nav atkarīgs no slīdēšanas ātruma.
Likumi
Apkopojot eksperimentālo materiālu par kustības likumiem, mēs esam noteikuši šādus pamatlikumus attiecībā uz berzi:
- Pretestība pret slīdēšanu starp diviem ķermeņiem ir proporcionāla parastajam spēkam, kas darbojas starp tiem.
- Izturība pret kustībām starp berzes ķermeņiem nav atkarīga no saskares laukuma starp tiem.
Lai demonstrētu otro likumu, varam dot šādu piemēru: ja paņem bloku un pārvieto to, slīdot pa virsmu, tad šādai kustībai nepieciešamais spēksbūs tāds pats, kad bloks atrodas uz virsmas ar savu garo malu un kad tas stāv ar galu.
Likumus, kas attiecas uz dažāda veida berzes spēkiem fizikā, 15. gadsimta beigās atklāja Leonards da Vinči. Pēc tam tie uz ilgu laiku tika aizmirsti, un tikai 1699. gadā tos no jauna atklāja franču inženieris Amontons. Kopš tā laika berzes likumi nes viņa vārdu.
Kāpēc berzes spēks ir lielāks nekā slīdēšanas spēks miera stāvoklī?
Apsverot vairākus berzes spēku veidus (atpūtas un slīdēšanas), jāņem vērā, ka statiskās berzes spēks vienmēr ir mazāks vai vienāds ar statiskās berzes koeficienta un atbalsta reakcijas spēka reizinājumu. Berzes koeficientu šiem berzes materiāliem nosaka eksperimentāli un ievada attiecīgajās tabulās.
Dinamisko spēku aprēķina tāpat kā statisko spēku. Tikai šajā gadījumā berzes koeficients tiek izmantots īpaši slīdēšanai. Berzes koeficientu parasti apzīmē ar grieķu burtu Μ (mu). Tādējādi abu berzes spēku vispārīgā formula ir: Ftr=ΜN, kur N ir atbalsta reakcijas spēks.
Šo veidu berzes spēku atšķirības raksturs nav precīzi noteikts. Tomēr lielākā daļa zinātnieku uzskata, ka statiskās berzes spēks ir lielāks nekā slīdēšanai, jo, ķermeņiem kādu laiku atrodoties miera stāvoklī vienam pret otru, starp to virsmām var veidoties jonu saites jeb atsevišķu virsmu punktu mikrofūzijas. Šie faktori izraisa statiskās strāvas palielināšanosindikators.
Vairāku berzes spēka veidu un to izpausmes piemērs ir virzulis automašīnas dzinēja cilindrā, kas tiek "pielodēts" pie cilindra, ja motors ilgstoši nedarbojas.
Horizontālais bīdāmais korpuss
Iegūsim kustības vienādojumu ķermenim, kurš ārēja spēka Fin iedarbībā sāk kustēties pa virsmu, slīdot. Šajā gadījumā uz ķermeni iedarbojas šādi spēki:
- Fv – ārējais spēks;
- Ftr – berzes spēks, kas ir pretējs spēkam Fv;
- N ir atbalsta reakcijas spēks, kas absolūtā vērtībā ir vienāds ar ķermeņa P svaru un ir vērsts uz virsmu, tas ir, taisnā leņķī pret to.
Ņemot vērā visu spēku virzienus, šim kustības gadījumam rakstām Ņūtona otro likumu: Fv - Ftr=ma, kur m - ķermeņa masa, a - kustības paātrinājums. Zinot, ka Ftr=ΜN, N=P=mg, kur g ir brīvā kritiena paātrinājums, mēs iegūstam: Fv – Μmg=ma. No kurienes, izsakot paātrinājumu, ar kādu pārvietojas slīdošais ķermenis, iegūstam: a=F in / m – Μg.
Stingra ķermeņa kustība šķidrumā
Apsverot, kādi berzes spēku veidi pastāv, jāpiemin fizikā svarīga parādība, kas ir apraksts par to, kā ciets ķermenis pārvietojas šķidrumā. Šajā gadījumā mēs runājam par aerodinamisko berzi, kas tiek noteikta atkarībā no ķermeņa ātruma šķidrumā. Ir divu veidu kustības:
- Kadstingrs ķermenis pārvietojas ar mazu ātrumu, runā par lamināru kustību. Berzes spēks laminārā kustībā ir proporcionāls ātrumam. Piemērs ir Stoksa likums sfēriskiem ķermeņiem.
- Kad ķermeņa kustība šķidrumā notiek ar lielāku ātrumu par noteiktu sliekšņa vērtību, tad ap ķermeni sāk parādīties virpuļi no šķidruma plūsmām. Šie virpuļi rada papildu spēku, kas kavē kustību, un rezultātā berzes spēks ir proporcionāls ātruma kvadrātam.
Rišanas berzes spēka raksturs
Runājot par berzes spēku veidiem, par trešo veidu pieņemts saukt rites berzes spēku. Tas izpaužas, kad ķermenis ripo pa noteiktu virsmu un notiek šī ķermeņa un pašas virsmas deformācija. Tas ir, absolūti nedeformējama korpusa un virsmas gadījumā nav jēgas runāt par rites berzes spēku. Apskatīsim tuvāk.
Rišanas berzes koeficienta jēdziens ir līdzīgs slīdēšanas koeficientam. Tā kā ripošanas laikā starp korpusu virsmām nav slīdēšanas, rites berzes koeficients ir daudz mazāks nekā slīdēšanai.
Galvenais faktors, kas ietekmē koeficientu, ir mehāniskās enerģijas histerēze rites berzes spēka veidam. Jo īpaši ritenis atkarībā no materiāla, no kura tas ir izgatavots, kā arī no slodzes, ko tas nes, kustības laikā elastīgi deformējas. Atkārtoti elastīgās deformācijas cikli noved pie mehāniskās enerģijas daļas pārnešanas siltumenerģijā. Turklāt sakarā arbojājumiem, riteņa un virsmas kontaktam jau ir ierobežots saskares laukums.
rites berzes spēka formula
Ja pielietojam izteiksmi spēka momentam, kas griež riteni, tad varam iegūt, ka rites berzes spēks ir Ftr.k.=Μ k N / R, šeit N ir balsta reakcija, R ir riteņa rādiuss, Μк – rites berzes koeficients. Tādējādi rites berzes spēks ir apgriezti proporcionāls rādiusam, kas izskaidro lielu riteņu priekšrocības salīdzinājumā ar maziem.
Šī spēka apgrieztā proporcionalitāte riteņa rādiusam liek domāt, ka divu dažādu rādiusu riteņu gadījumā, kuriem ir vienāda masa un kuri ir izgatavoti no viena materiāla, riteni ar lielāku rādiusu ir vieglāk montēt. pakustēties.
Slīdes koeficients
Saskaņā ar šāda veida berzes spēka formulu iegūstam, ka rites berzes koeficientam Μk ir garums. Tas galvenokārt ir atkarīgs no kontaktpersonu rakstura. Vērtību, ko nosaka rites berzes koeficienta attiecība pret rādiusu, sauc par rites koeficientu, tas ir, Ck=Μk / R ir bezizmēra lielums.
Slīdes koeficients Ck ir ievērojami mazāks par slīdēšanas berzes koeficientu Μtr. Tāpēc, atbildot uz jautājumu, kura veida berzes spēks ir mazākais, varam droši saukt par rites berzes spēku. Pateicoties šim faktam, riteņa izgudrošana tiek uzskatīta par svarīgu tehnoloģiskā progresa soli.cilvēce.
Slīdošā attiecība ir sistēmai raksturīga un ir atkarīga no šādiem faktoriem:
- riteņa un virsmas cietība (jo mazāka ir ķermeņu deformācija, kas rodas kustības laikā, jo mazāks rites koeficients);
- riteņa rādiuss;
- svars, kas iedarbojas uz riteni;
- kontaktvirsmas laukums un tā forma;
- viskozitāte riteņa un virsmas saskares zonā;
- ķermeņa temperatūra
