Berze ir parādība, ar kuru ikdienā sastopamies visu laiku. Nav iespējams noteikt, vai berze ir kaitīga vai labvēlīga. Pat soli spert uz slidena ledus šķiet grūts uzdevums, staigāt pa nelīdzenu asf alta segumu ir prieks. Auto daļas bez eļļošanas nolietojas daudz ātrāk.
Berzes izpēte, tās pamatīpašību pārzināšana ļauj cilvēkam to izmantot.
Berzes spēks fizikā
Spēku, kas rodas no viena ķermeņa kustības vai kustības mēģinājuma uz cita ķermeņa virsmu, kas vērsta pret kustības virzienu un tiek pielietota kustīgiem ķermeņiem, sauc par berzes spēku. Berzes spēka modulis, kura formula ir atkarīga no daudziem parametriem, mainās atkarībā no pretestības veida.
Izšķir šādus berzes veidus:
• atpūta;
• paslīdēt;
• ritošā.
Jebkurš mēģinājums pārvietot smagu priekšmetu (skapi, akmeni) no tā vietas noved pie cilvēka spēku sasprindzinājuma. Tajā pašā laikā objektu ne vienmēr ir iespējams iekustināt. Atpūtas berze to traucē.
Atpūtas stāvoklis
Statiskā berzes spēka aprēķina formulaneļauj mums to pietiekami precīzi noteikt. Saskaņā ar Ņūtona trešo likumu statiskās pretestības spēka lielums ir atkarīgs no pieliktā spēka.
Palielinoties spēkam, palielinās arī berzes spēks.
0 < Fatpūtas problēmas < Fmax
Atpūtas berze neļauj kokā iedurtām naglām izkrist; pogas, kas sašūtas ar diegu, ir stingri noturētas savā vietā. Interesanti, ka tieši atpūtas pretestība ļauj cilvēkam staigāt. Turklāt tas ir vērsts cilvēka kustības virzienā, kas ir pretrunā ar vispārējo lietu stāvokli.
Slīdoša parādība
Kad ārējais spēks, kas kustina ķermeni, palielinās līdz lielākā statiskā berzes spēka vērtībai, tas sāk kustēties. Slīdošās berzes spēks tiek ņemts vērā, slīdot vienu ķermeni pa cita virsmu. Tās vērtība ir atkarīga no mijiedarbojošo virsmu īpašībām un vertikālās darbības spēka uz virsmu.
Slīdes berzes spēka aprēķinu formula: F=ΜP, kur Μ ir proporcionalitātes koeficients (slīdes berze), P ir vertikālā (normālā) spiediena spēks.
Viens no dzinējspēkiem ir slīdošais berzes spēks, kura formula tiek uzrakstīta, izmantojot atbalsta reakcijas spēku. Ņūtona trešā likuma izpildes dēļ normālā spiediena spēki un balsta reakcija ir vienādi pēc lieluma un pretēji virzienam: Р=N.
Pirms atrodat berzes spēku, kura formula iegūst citu formu (F=M N), nosakiet reakcijas spēku.
Slīdēšanas pretestības koeficients ir eksperimentāli ieviests divām berzes virsmām, atkarīgs no to apstrādes un materiāla kvalitātes.
Tabula. Pretestības koeficienta vērtība dažādām virsmām
| lpp | Mijiedarbojošas virsmas | Slīdošās berzes koeficienta vērtība |
| 1 | Tērauds+ledus | 0, 027 |
| 2 | Ozols+ozols | 0, 54 |
| 3 | Āda+čuguns | 0, 28 |
| 4 | Bronza+dzelzs | 0, 19 |
| 5 | Bronza+čuguns | 0, 16 |
| 6 | Tērauds+tērauds | 0, 15 |
Lielāko statiskās berzes spēku, kura formula tika uzrakstīta iepriekš, var noteikt tāpat kā slīdēšanas berzes spēku.
Tas kļūst svarīgi, risinot problēmas, lai noteiktu braukšanas pretestības stiprumu. Piemēram, grāmata, kuru kustina no augšas nospiesta roka, slīd miera pretestības spēka iedarbībā, kas rodas starp roku un grāmatu. Pretestības lielums ir atkarīgs no vertikālā spiediena spēka vērtības uz grāmatu.
Ritošā parādība
Mūsu senču pāreja no vilkšanas uz ratiem tiek uzskatīta par revolucionāru. Riteņa izgudrojums ir lielākais cilvēces izgudrojums. Rites berze, kas rodas, ritenim pārvietojoties pa virsmu, ir ievērojami zemāka par slīdēšanas pretestību.
Rišanas berzes spēku rašanās ir saistīta ar normāla riteņa spiediena spēkiem uz virsmu, un tam ir raksturs, kas to atšķir no slīdēšanas. Nelielas riteņa deformācijas dēļ veidojas dažādi spiediena spēki izveidotā laukuma centrā un gar tā malām. Šī spēku atšķirība nosaka rites pretestības rašanos.
Ritošanas berzes spēka aprēķina formulu parasti ņem līdzīgi kā slīdēšanas procesā. Atšķirība ir redzama tikai pretestības koeficienta vērtībās.
Pretestības būtība
Mainoties berzes virsmu raupjumam, mainās arī berzes spēka vērtība. Lielā palielinājumā divas saskares virsmas izskatās kā izciļņi ar asām virsotnēm. Uzliekot virsū, tās ir izvirzītās ķermeņa daļas, kas saskaras viena ar otru. Kopējā saskares zona ir nenozīmīga. Pārvietojot vai mēģinot pārvietot ķermeņus, "virsotnes" rada pretestību. Berzes spēka lielums nav atkarīgs no saskares virsmu laukuma.
Šķiet, ka divām ideāli gludām virsmām nevajadzētu piedzīvot nekādu pretestību. Praksē berzes spēks šajā gadījumā ir maksimālais. Šī neatbilstība ir izskaidrojama ar spēku izcelsmes raksturu. Tie ir elektromagnētiskie spēki, kas iedarbojas starp mijiedarbībā esošo ķermeņu atomiem.
Mehāniskie procesi, kurus nepavada berze dabā nav iespējams, jo spēja "atslēgties"nav elektriskās mijiedarbības starp uzlādētiem ķermeņiem. Pretestības spēku neatkarība no ķermeņu savstarpējā stāvokļa ļauj tos saukt par nepotenciāliem.
Interesanti, ka berzes spēks, kura formula mainās atkarībā no mijiedarbojošo ķermeņu ātruma, ir proporcionāls atbilstošā ātruma kvadrātam. Šis spēks ietver viskozās pretestības spēku šķidrumā.
Kustība šķidrumā un gāzē
Cieta ķermeņa kustību šķidrumā vai gāzē, šķidrumā cietas virsmas tuvumā pavada viskozā pretestība. Tās rašanās ir saistīta ar šķidruma slāņu mijiedarbību, ko kustības procesā aizved ciets ķermenis. Dažādi slāņu ātrumi ir viskozas berzes avots. Šīs parādības īpatnība ir šķidruma statiskās berzes neesamība. Neatkarīgi no ārējās ietekmes lieluma, ķermenis sāk kustēties, atrodoties šķidrumā.
Atkarībā no kustības ātruma pretestības spēku nosaka kustības ātrums, kustīgā ķermeņa forma un šķidruma viskozitāte. Viena un tā paša ķermeņa kustību ūdenī un eļļā pavada dažāda lieluma pretestība.
Mazam ātrumam: F=kv, kur k ir proporcionalitātes koeficients atkarībā no korpusa lineārajiem izmēriem un vides īpašībām, v ir ķermeņa ātrums.
Šķidruma temperatūra ietekmē arī berzi tajā. Salnā laikā automašīna tiek uzsildīta, lai eļļa sasiltu (samazinās tās viskozitāte) un palīdzētu samazināt saskarē esošo dzinēja daļu bojāšanos.
Paātrināt kustību
Ievērojams ķermeņa ātruma palielinājums var izraisīt turbulentu plūsmu parādīšanos, savukārt pretestība krasi palielinās. Vērtības ir: kustības ātruma kvadrāts, vides blīvums un ķermeņa virsmas laukums. Berzes spēka formula iegūst citu formu:
F=kv2, kur k ir proporcionalitātes koeficients atkarībā no ķermeņa formas un vides īpašībām, v ir ķermeņa ātrums.
Ja korpuss ir racionalizēts, turbulenci var samazināt. Delfīnu un vaļu ķermeņa forma ir lielisks piemērs dabas likumiem, kas ietekmē dzīvnieku ātrumu.
Enerģijas pieeja
Veikt ķermeņa pārvietošanas darbu traucē apkārtējās vides pretestība. Izmantojot enerģijas nezūdamības likumu, viņi saka, ka mehāniskās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar berzes spēku darbu.
Spēka darbu aprēķina pēc formulas: A=Fscosα, kur F ir spēks, ar kuru ķermenis pārvietojas attālumā s, α ir leņķis starp spēka un pārvietošanās virzieniem.
Acīmredzot pretestības spēks ir pretējs ķermeņa kustībai, no kurienes cosα=-1. Berzes spēka darbs, kura formula ir Atr=- Fs, vērtība ir negatīva. Šajā gadījumā mehāniskā enerģija tiek pārvērsta iekšējā enerģijā (deformācija, karsēšana).
