Hər birimiz sürtünmə qüvvəsinin təzahürü ilə tanışıq. Həqiqətən də gündəlik həyatda hər hansı bir hərəkət, istər insanı yeritmək, istərsə də nəqliyyat vasitəsini hərəkət etdirmək bu qüvvənin iştirakı olmadan mümkün deyil. Fizikada üç növ sürtünmə qüvvələrini öyrənmək adətdir. Bu yazıda onlardan birini nəzərdən keçirəcəyik, statik sürtünmənin nə olduğunu anlayacağıq.
Üfüqi səthdə çubuq
Statik sürtünmə qüvvəsi nədir və nəyə bərabərdir suallarına cavab verməzdən əvvəl, üfüqi səthdə yerləşən çubuqlu sadə bir halı nəzərdən keçirək.
Gəlin çubuqda hansı qüvvələrin hərəkət etdiyini təhlil edək. Birincisi, əşyanın özünün çəkisidir. Onu P hərfi ilə işarə edək. Şaquli olaraq aşağıya doğru yönəldilir. İkincisi, bu, dəstəyin reaksiyasıdır N. Şaquli olaraq yuxarıya doğru yönəldilir. Baxılan iş üçün Nyutonun ikinci qanunu aşağıdakı formada yazılacaq:
ma=P - N.
Buradakı mənfi işarə çəki və dəstək reaksiya vektorlarının əks istiqamətlərini əks etdirir. Blok istirahətdə olduğundan a-nın dəyəri sıfırdır. Sonuncu o deməkdir ki:
P - N=0=>
P=N.
Dəstəyin reaksiyası bədənin ağırlığını tarazlayır və mütləq dəyərdə ona bərabərdir.
Üfüqi səthdə çubuğa təsir edən xarici qüvvə
İndi yuxarıda təsvir edilən vəziyyətə daha bir təsiredici qüvvə əlavə edək. Fərz edək ki, bir şəxs üfüqi bir səth boyunca bir bloku itələməyə başlayır. Gəlin bu qüvvəni F hərfi ilə işarə edək. Təəccüblü bir vəziyyət müşahidə oluna bilər: əgər F qüvvəsi kiçikdirsə, onun hərəkətinə baxmayaraq, çubuq səthdə dayanmağa davam edir. Bədənin çəkisi və dəstəyin reaksiyası səthə perpendikulyar yönəldilmişdir, buna görə də onların üfüqi proyeksiyaları sıfıra bərabərdir. Başqa sözlə desək, P və N qüvvələri heç bir şəkildə F-ə qarşı çıxa bilməz. Belə olan halda, bar nə üçün hərəkətsiz qalır və hərəkət etmir?
Aydındır ki, F qüvvəsinə qarşı yönəlmiş qüvvə olmalıdır. Bu qüvvə statik sürtünmədir. Üfüqi bir səth boyunca F-yə qarşı yönəldilmişdir. Çubuğun aşağı kənarı ilə səth arasındakı təmas sahəsində fəaliyyət göstərir. Onu Ft simvolu ilə işarə edək. Üfüqi proyeksiya üçün Nyuton qanunu belə yazılacaq:
F=Ft.
Beləliklə, statik sürtünmə qüvvəsinin modulu həmişə üfüqi səth boyunca hərəkət edən xarici qüvvələrin mütləq qiymətinə bərabərdir.
Şillə hərəkətinin başlanğıcı
Statik sürtünmə düsturunu yazmaq üçün məqalənin əvvəlki bəndlərində başlanmış təcrübəni davam etdirək. Xarici F qüvvəsinin mütləq qiymətini artıracağıq. Bar hələ bir müddət istirahətdə qalacaq, lakin hərəkət etməyə başlayanda bir an gələcək. Bu zaman statik sürtünmə qüvvəsi maksimum dəyərə çatacaq.
Bu maksimum dəyəri tapmaq üçün birinci ilə eyni olan başqa bir çubuq götürün və üstünə qoyun. Çubuğun səthlə təmas sahəsi dəyişməyib, lakin çəkisi iki dəfə artıb. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, çubuğun səthdən qopması F qüvvəsi də ikiqat artmışdır. Bu fakt statik sürtünmə üçün aşağıdakı düsturu yazmağa imkan verdi:
Ft=µsP.
Yəni, sürtünmə qüvvəsinin maksimum dəyəri P bədəninin çəkisi ilə mütənasib olur, burada µs parametri mütənasiblik əmsalı kimi çıxış edir. µs dəyəri statik sürtünmə əmsalı adlanır.
Təcrübədəki bədən çəkisi N dəstək reaksiya qüvvəsinə bərabər olduğundan, Ft formulunu aşağıdakı kimi yenidən yazmaq olar:
Ft=µsN.
Əvvəlki ifadədən fərqli olaraq, bədən meylli müstəvidə olsa belə, bu ifadə həmişə istifadə edilə bilər. Statik sürtünmə qüvvəsinin modulu səthin bədənə təsir etdiyi dəstək reaksiya qüvvəsi ilə düz mütənasibdir.
Gücün fiziki səbəbləri Ft
Statik sürtünmənin niyə baş verdiyi sualı mürəkkəbdir və mikroskopik və atom səviyyəsində cisimlər arasında təması nəzərə almağı tələb edir.
Ümumiyyətlə, gücün iki fiziki səbəbi varFt:
- Zirvələr və enişlər arasında mexaniki qarşılıqlı əlaqə.
- Cismlərin atomları və molekulları arasında fiziki-kimyəvi qarşılıqlı təsir.
Hər hansı bir səth nə qədər hamar olursa olsun, onun nizamsızlıqları və qeyri-bərabərliyi var. Təxminən, bu qeyri-bərabərliklər mikroskopik zirvələr və çökəkliklər kimi təqdim edilə bilər. Bir cismin zirvəsi digər cismin boşluğuna düşəndə bu cisimlər arasında mexaniki birləşmə baş verir. Çoxlu sayda mikroskopik muftalar statik sürtünmənin yaranmasının səbəblərindən biridir.
İkinci səbəb bədəni təşkil edən molekullar və ya atomlar arasında fiziki və kimyəvi qarşılıqlı təsirdir. Məlumdur ki, iki neytral atom bir-birinə yaxınlaşdıqda, onlar arasında bəzi elektrokimyəvi qarşılıqlı təsirlər, məsələn, dipol-dipol və ya van der Vaals qarşılıqlı təsirləri baş verə bilər. Hərəkətin başlanğıcı anında çubuq səthdən qopmaq üçün bu qarşılıqlı təsirləri dəf etməyə məcbur olur.
Ft gücünün xüsusiyyətləri
Artıq yuxarıda maksimum statik sürtünmə qüvvəsinin nəyə bərabər olduğu qeyd olunub və onun hərəkət istiqaməti də göstərilib. Burada Ft kəmiyyətinin digər xüsusiyyətlərini sadalayırıq.
İstirahət sürtünməsi təmas sahəsindən asılı deyil. Yalnız dəstəyin reaksiyası ilə müəyyən edilir. Təmas sahəsi nə qədər böyükdürsə, mikroskopik zirvələrin və çökəkliklərin deformasiyası bir o qədər kiçik olur, lakin onların sayı bir o qədər çox olur. Bu intuitiv fakt, çubuq daha kiçik olan ilə kənara doğru çevrilərsə, maksimum Ftt-nin niyə dəyişməyəcəyini izah edir.sahə.
İstirahət sürtünməsi və sürüşmə sürtünməsi eyni düsturlarla təsvir edilən eyni təbiətə malikdir, lakin ikinci həmişə birincidən azdır. Blok səth boyunca hərəkət etməyə başlayanda sürüşmə sürtünməsi baş verir.
Force Ft əksər hallarda naməlum kəmiyyətdir. Onun üçün yuxarıda verilmiş düstur, çubuğun hərəkətə başladığı anda Ft maksimum dəyərinə uyğundur. Bu faktı daha aydın başa düşmək üçün aşağıda Ft qüvvəsinin F xarici təsirdən asılılığının qrafiki verilmişdir.
Görünür ki, F-nin artması ilə statik sürtünmə xətti olaraq artır, maksimuma çatır, sonra isə bədən hərəkət etməyə başlayanda azalır. Hərəkət zamanı artıq Ft qüvvəsi haqqında danışmaq mümkün deyil, çünki o, sürüşmə sürtünməsi ilə əvəz olunur.
Nəhayət, Ft gücünün son vacib xüsusiyyəti onun hərəkət sürətindən asılı olmamasıdır (nisbətən yüksək sürətlə, Ftazalır).
Sürtünmə əmsalı µs
Sürtünmə modulu düsturunda µs göründüyü üçün bu barədə bir neçə söz demək lazımdır.
Sürtünmə əmsalı µs iki səthin unikal xüsusiyyətidir. Bu, bədən çəkisindən asılı deyil, eksperimental olaraq müəyyən edilir. Məsələn, bir ağac-ağac cütü üçün ağacın növündən və sürtünmə orqanlarının səthinin işlənməsinin keyfiyyətindən asılı olaraq 0,25 ilə 0,5 arasında dəyişir. Mumlu taxta səthlər üçünyaş qar µs=0,14 və insan oynaqları üçün bu əmsal çox aşağı qiymətlər alır (≈0,01).
Nəzərdən keçən material cütü üçün µs dəyəri nə olursa olsun, oxşar sürüşmə sürtünmə əmsalı µk həmişə olacaq daha kiçik. Məsələn, ağacı ağacın üzərində sürüşdürərkən, bu, 0,2-yə bərabərdir, insan oynaqları üçün isə 0,003-ü keçmir.
Sonra biz əldə edilmiş biliyi tətbiq edə biləcəyimiz iki fiziki problemin həllini nəzərdən keçirəcəyik.
Maili səthdə çubuq: qüvvənin hesablanması Ft
İlk tapşırıq olduqca sadədir. Tutaq ki, bir taxta blok taxta səthdə uzanır. Onun kütləsi 1,5 kq-dır. Səth üfüqə 15o bucaq altında meyllidir. Çubuğun hərəkət etmədiyi məlumdursa, statik sürtünmə qüvvəsini təyin etmək lazımdır.
Bu problemin üstünlüyü ondan ibarətdir ki, bir çox insanlar dəstəyin reaksiyasını hesablamağa başlayır və sonra µs sürtünmə əmsalı üçün istinad məlumatından istifadə edərək yuxarıdakıları istifadə edin. F t maksimum dəyərini təyin etmək üçün düstur. Lakin, bu halda, Ft maksimum deyil. Onun modulu yalnız barı yerindən müstəvidən aşağı salmağa meylli olan xarici qüvvəyə bərabərdir. Bu qüvvə:
F=mgsin(α).
Onda Ft F-a bərabər olacaq. Verilənləri bərabərliklə əvəz edərək cavabı alırıq: maili müstəvidə statik sürtünmə qüvvəsi F t=3.81 nyuton.
Maili səthdə çubuq: hesablamamaksimum əyilmə bucağı
İndi isə aşağıdakı problemi həll edək: taxta blok taxta meylli müstəvidə yerləşir. Sürtünmə əmsalını 0,4-ə bərabər tutaraq, müstəvinin üfüqə maksimum meyl bucağını α tapmaq lazımdır ki, bu zaman bar sürüşməyə başlayacaq.
Sürüşmə bədən çəkisinin təyyarədəki proyeksiyası maksimum statik sürtünmə qüvvəsinə bərabər olduqda başlayacaq. Müvafiq şərti yazaq:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arktan(µs).
Sonuncu tənlikdə µs=0, 4 dəyərini əvəz etməklə, α=21, 8o alırıq.
