*Fortele de frecare

*Legile frecării

*Dispozitiv experimental

*Prima metodă de stabilire a coeficientului de frecare

*A doua metodă de stabilire a coeficientului de frecare

Iesire

*Coeficientul de frecare

*Modul de lucru

*Forta de frecare la rostogolire

*Intrebari si probleme rezolvate

Prezentare la fizicaPrezentare la fizica Tema:Tema:Forta de frecareForta de frecare

Forţele de frecare

Sa consideram un corp care aluneca pe suprafata altui corp.

Cele doua suprafete in contact, oricat de bine ar fi lustruite mai au inca asperitati pe care, chiar daca nu le

vedem cu ochiul liber la putem vedea la microscop.Asperitatile acestea constituie tot atatea piedici si corpul,

daca nu este in stare sa le sara, sa le rupa, sa le indoie, va ramane in repaus. Alunecarea intampina deci o forta de opunere, pe care o numim frecare si forta tangentiala

minima, in stare sa scoata corpul din repaus este, evident egala si opusa ca sens acestei frecari.Forta de frecare actioneaza tangential si se

opune alunecarii unui corp, pe o suprafata data.

Este de asemenea evident ca, atata vreme cat forta de frecare este exact compensata de forta exterioara aplicata, corpul nu se mai poate misca decat uniform, o data scos din

repaus.Daca forta exterioara depaseste frecarea, diferenta

lor va servi ca sa accelereze miscarea.Legile frecarii pot fi cercetate cu dispozitivul

experimental unde o sanie de greutate cunoscuta poate sa alunece pe un plan inclinat.

Daca marim treptat inclinatia planului, pana cand sania se misca uniform la vale, realizam conditia ca forta tangentiala Ft, care apare prin descompunerea greutatii

proprii a corpului, sa fie egala cu forta opusa de frecare F.

Pe de alta parte, corpul apasa pe plan cu forta normala Fn si se vede imediat ca raportul dintre intensitatile fortei

de frecare si fortei normale este : F =tg .

Fn El poate fi determinat prin masurarea directa a

unghiului de inclinatie. Expresia ne arata ca acest raport nu depinde nici

de greutatea corpului care aluneca, nici de marimea suprafetelor de contact, insa depinde de natura si de

gradul de slefuire ale acestor suprafete. Pentru toate suprafetele de aceeasi natura si cu

acelasi grad de slefuire, raportul constant F==tg Fn reprezinta, prin definitie, coeficientul de frecare.

Pentru suprafetele de aceeasi natura si de acelasi grad de slefuire

F = Fn , unde este coeficientul de frecare.

Pe o suprafata orizontala, forta normala este insasi greutatea corpului pe care, ca sa-l miscam uniform va trebui sa aplicam o forta tangentiala egala cu forta de

frecare.Daca notam aceasta greutate cu P vom avea evident

F=µP .Coeficientul de frecare, definit prin raportul a 2 forte

apare deci ca o simpla cantitate numerica si ne arata cu cat trebuie sa inmultim greutatea unui corp ca sa aflam

forta necesara sa-l miste uniform pe o suprafata orizontala.

Se dau mai jos valorile coeficientului de frecare, in cateva cazuri speciale:

Stejar pe stejar slefuit (fibre paralele)…………………. μ =0,6

Stejar pe stejar slefuit (fibre perpendiculare)………….. μ =0,5

Fier pe fier slefuit……………………………………… μ =0,16

Fier pe gheata………………………………………….. μ =0,03

Aceste date sunt, bineinteles, numai aproximative, fiindca depind de gradul de slefuire.

O cercetare mai amanuntita ne arata ca relatia de definitie

F=µPCorespunde numai unei prime aproximatii, fiindca de fapt coeficientul de frecare depinde si de viteza relativa a miscarii, pe suprafata data.

El este mai mare in momentul cand corpul paraseste pozitia de repaus, apoi scade cand viteza creste, ca sa creasca iarasi la vitezele mari.

Coeficientul de frecare depinde de viteza relativa a miscarii. El este mai mare la pornire sau la viteze mai

mari.De aceea in practica va trebui sa facem o deosebire

intre frecare de pornire (de demaraj) si frecarea de miscare.Experienta zilnica ne arata, intr-adevar, ca este mai greu

sa urnim un corp din repaus decat sa-l obligam sa alunece pe o suprafata orizontala, o data ce a pornit.

Pe de alta parte, cresterea frecarii cu viteza ne face sa intelegem de ce o piatra de polizor se toceste mult mai repede

la vitezele mari.In toate fenomenele descrise, am facut abstractie de

cazurile in care greutatea proprie a corpului ce aluneca este asa de mare incat ajunge sa-l cufunde in suprafata de sprijin

fiindca atunci nu mai poate fi vorba de frecare, ci de un proces de rupere, in care toate fortele puse in joc sunt

incomparabil de mari.

Putem patina pe gheata, dar nimeni nu se gandeste sa patineze pe zapada moala. Acolo folosim skiurile , tocmai ca

sa evitam scufundarea.In alta ordine de idei, o experienta milenara a aratat omenirii ca frecarea de rostogolire a unui corp rotund este mult mai

mica decat frecarea de alunecare.Oricine stie ca este mult mai usor sa deplasam un corp

greu, cand punem sub el niste drugi rotunzi de lemn.Asa s-a nascut ideea rulmentilor cu bile, pe care tehnica

moderna ii foloseste la scara mare la masini si la vehicule. Frecarile devin atunci de cateva sute de ori mai mici

decat la o simpla alunecare.Eficacitatea rulmentilor este cu atat mai mare, cu cat

otelul din care sunt facuti este mai dur fiindca deformarile prin cufundare sunt atunci reduse la minim.

Din cele aratate mai sus, frecarea se manifesta ca o absorbtie de lucru mecanic si experienta ne arata ca, in schimb apare o cantitate corespunzatoare de caldura.

Evident aceasta transformare nu poate fi decat suparatoare, cand sustrage folosintei noastre o parte din

energia mecanica pe care avem interesul s-o folosim integral.

Frecarea absoarbe energie macanica si o transforma in caldura.

Cu toate aceste inconveniente, frecarea mai are totusi avantaje practice vadite, fiindca daca nu ar exista, orice vehicul sau pieton ar putea deveni un sistem izolat, incapabil sa se miste din loc sau sa se opreasca, o data

pus in miscare.Am interpretat aparitia fortelor de frecare prin

actiunea de franare a asperitatilor de pe suprafetele de contact.

Se pune intrebarea : ce s-ar intampla daca, printr-o slefuire cat mai buna, am cauta sa supriman aceste asperitti?

Aici tot experienta ne arata ca frecarea, in loc sa scada, incepe sa creasca, daca impingen slefuirea prea departe.

Aceasta se datoreaza interventiei fenomenelor de adeziune, adica de atractia reciproca dintre moleculelor

celor doua suprafete de contact care, prin reducerea asperitatilor au ajuns unele in campul de actiune al

celorlalte.La un grad de slefuire destul de inaintat, doua placi de

otel adera una la alta in asa masura, incat este nevoie de o forta de cateva zeci de kilograme pe centimetru patrat, ca

sa le putem deslipi.Apasarea crescand, va creste si forta de frecare

Caracteristicile coeficientului de frecare (m) la alunecare: 1. Coeficientul de frecare la alunecare are valori cuprinse intre 0 si 1. 2. Coeficientul de frecare la alunecare depinde de natura materialului

din care este confectionat corpul.3. Coeficientul de frecare la alunecare depinde de gradul de

prelucrare al suprafetelor aflate in contact.

Coeficienţi de frecare:Piele pe metal 0,6

Cărămidă pe cărămidă 0,5-0,7Lemn pe lemn 0,2-0,6Cauciuc pe şosea 0,4-0,6

Piele pe lemn 0,4Piele pe fontă 0,28Oţel pe oţel 0,17

Lemn pe gheaţă 0,039Oţel pe gheaţă 0,020

Posibile surse de erori:-suprafaţa nu are aceeiaşi rugozitata

-măsurarea greşită a unghiului α-greşeli de calcul

-folosirea unor instrumente defecte

Legea a I-a a frecării Forta de frecare de alunecare nu depinde de suprafaţa aparenta a corpurilor aflate in contact direct.Forta de frecare de alunecare depinde de suprafaţa reala(cu asperitati) a corpurilor aflate in contact direct.

Legea a II-a a frecăriiForţa de frecare este direct proporţională cu forţa

de apăsare normală şi depinde de natura suprafeţelor aflate în contact printr-o constantă de material numită

coeficientul de frecare.

NF fr F~N

μ =coeficient de frecare de alunecare(constanta de material).

μ =Ff/N

Dispozitivul experimental si descria lui:-plan drept(masa);

-corp din lemn cu m=50g;-dinamometru;

-fir ideal si inextensibil(aţa);-scripete fix;

-cârlig;-discuri metalice cu m=10g.

Tribometrul este un aparat prevăzut cu un scripete cu frecări neglijabile .Corpurile au greutatea egală cu m=1,2N şi sunt prevăzute cu 3 suprafeţe diferite de contact(metal ,cauciuc ,lemn). De un capat al firului este legat suportul pentru supendat greutaţi supendat liber în aer iar de celalalt este legat corpul sau sistemul de corpuri, în funcţie de experiment.El este format dintr-o scandura prevazuta la un capat cu scripete usor in care frecarea este neglijabila. Pozitia scindurii poate fi fixata atit orizontal, cit si sub un unghi fata de orizont,astfel avind posibilitatea de a studia frecarea si pe un plan inclinat.

Aparatul mai are citeva corpuri paralelipipedice identice, pe fetele laterale ale carora se pot fixa placi confectionate din materiale diferite. Un paralelipiped avind fixate placi din materialul studiat se asaza pe scindura orizontala a tribometrului si prin intermediul unui fir trecut peste scripete se leaga cu un platan pe care se adauga treptat etaloane de masa, pina la momentul in care incepe alunecarea. Valoarea fortei de greutate pentru care se realizeaza alunecarea uniforma a paralelipipedului este egala cu forta de frecate la alunecare

Modul de lucru: Se suspendă greutaţi astfel încat corpul să inceapă să

se mişte uniform rectiliniu (fără acceleraţie ).I În primul caz forţa de frecare trebuie scrisă în funcţie de

apăsarea normală ,punându-se corpurile unul peste celalalt.Forţa de frecare este egală cu greutatea discurilor

marcate.II În al doilea caz forţa de frecare trebuie arătat că nu

depinde de mărimea suprafeţelor de contact.Corpurile se pun în serie ,modificându-se astfel mărimea suprafeţelor de

contact şi normala la plan ,de aceea forţa de frecare este egală cu greutatea discurilor împărţita la numarul corpurilor legate.

III În cazul al treilea trebuie demonstrat că forţa de frecare este direct proporţională cu coeficientul de frecare .Astfel

corpul se va intorce pe rând pe cele 3 feţe diferite (metal ,cauciuc ,lemn).

Mod de lucru:-se montează dispozitivul experimental;

-se aseaza pe cârligul pentru greutati crestate discuri, pana când mişcarea devine uniforma;

-se observa valoarea tensiunii pe dinamometru.

Masuratori experimentale:

Calculul erorilor (Identificarea erorilor; Surse de eroare.)*Erori datorate experimentatorului:

-măsurarea forţelor cu dinamometrul;-sesizarea momentului in care corpul intra in mişcare uniforma.

*Erori datorate preciziei aparatelor de măsura:-măsurarea forţei cu dinamometrul.*Erori datorate datelor neprecise:

-masa corpurilor suspendate;-valoarea acceleraţiei gravitaţionale.

*Erori de metoda.

Concluzii: Daca mişcarea sistemului corpului si a maselor marcate

M este uniforma, putem constata cu ajutorul unui dinamometru intercalat, ca tensiunea T din fir este tot

timpul egala cu greutatea maselor marcate(Mg). Coeficientul de frecare de alunecare este constant, fiind egal cu raportul dintre masa discurilor metalice(M) si masa

corpului din lemn(m), aşa cum se poate observa si pe grafic.

Cazul I Lemn pe lemn

19,056,2

5,0

14,006,2

3,0

12,056,1

2,0

3

2

1

15,03

19,014,012,0

3321

mediu

Prima metodă de stabilire a coeficientului de frecare

Cazul II Lemn pe hârtie

27,056,2

7,0

26,006,2

55,0

19,056,1

3,0

3

2

1

27,03

19,027,026,0

3321

mediu

Cazul III Lemn pe metal

01956,2

5,0

14,006,2

3,0

09,056,1

15,0

3

2

1

14,03

19,014,009,0

3321

mediu

A doua metodă de stabilire a coeficientului de frecare

Cazul I

41,065

27

27

65

1

11

1

1

H

Ltg

cmH

cmL

47,063

30

30

63

58,060

35

35

60

3

3

3

2

2

2

cmH

cmL

cmH

cmL

48,03

47,058,041,0

3321

mediu

Cazul II

30,066

20

20

66

39,064

25

25

64

28,067

19

19

67

3

3

3

2

2

2

1

1

1

cmH

cmL

cmH

cmL

cmH

cmL

32,03

30,039,028,0

3321

mediu

In cazul corpurilor de forma cilindrica sau sferica se manifesta forta de frecare la rostogolire. Ea

este de sute de ori mai mica decit forta de frecare la alunecare.

Din aceasta cauza la funtionarea diferitor mecanisme, unde frecarea la alunecare este daunatoare prin uzarea, incalzirea sau chiar

topirea unor piese in miscare, ea se inlocuieste cu frecarea la rostogolire. Aceasta se poate

realiza cu ajutorul rulmentilor cu bile sau cu role. Daca se folosesc lubrifianti, atunci frecarea

devine foarte mica. Cu toate ca forta de frecare este una de frinare,

in multe cazuri ea reprezinta o forta motoare. Anume datorita fortei de frecare este posibila

miscarea automobilelor si mersul oamenilor pe Pamant.

Intre rotile motoare ale automobilului si Pamant actioneaza fortele de frecare de repaus Ff1 exercitate de Pamant asupra rotilor,prin intermediul carora se imprima acceleratia automobilului si Ff2 exercitate de rotile asupra Pamantului. Din cauza masei lui foarte mari in comparatie cu cea a automobilului, acceleratia imprimata Pamantului este, practic, egala cu zero, atunci forta de frecare de repaus Ff2 care actioneaza asupra cilindrului l-ar pune in miscare de rotatie.

La miscarea corpurilor solide, contactul se poate realiza nu numai cu akte corpuri solide, dar si cu lichide sau gaze, de exemplu,miscarea unui submarin,a unui avion s.a. In aceste cazuri ia nastere o forta asemanatoare cu cea de frecare la alunecare, numita forta de rezistenta. Ea, de asemenea, este situata in planul de contact si este orientata in sens opus vitezei relative Vr a corpului in raport cu lichidul sau gazul,valoarea numerica a ei fiin in functie de modulul acestei viteze. Pentru viteze relative mici ale corpului forta de rezistenta este proportionala cu valoarea vitezei : Fr=a* rv

,

iar pentru viteze mari – cu patratul acestei marimi:

Fr=ß*

2rv

,

unde a si ß sint coeficienti de proportionalitate ce caracterizeaza rezistenta lichidului sau a gazului.

Forta de rezistenta mai depinde de forma, dimensiunile corpurilor si calitatea prelucrarii suprafetelor. De

exemplu corpurile din figura data au aceeasi arie a sectiunii transversale,insa forta de rezistenta este de fiecare data diferita. Forma geometrica a corpurilor

pentru care forta de rezistenta este minima se numeste forma aerodinamica. Ea are o importanta deosebita la construirea diferitor aparate de zbor, a automobilelor si

a altor mecanisme care infrunta rezistenta lichidelor sau a gazelor.

fF��������������

F��������������

1.Ce este forta de frecare? In ce conditii apare forta de frecare si care este natura ei? Forta de frecare este forta ,egala in modul si de sens opus cu forta

ce actioneaza asupra unuia dintre corpuri pentru a-l deplasa pe suprafata celuilalt. Ea apare la contactul nemijlocit dintre corpuri si este de natura electrica.

2.Ce este forta de frecare de repaus?Care este valoarea ei maxima?Forta de frecare de repaus este egala in modul si de sens opus cu forta aplicata

corpului paralel cu planul de contact cu alt corp si poate lua valori pina la o valoare maxima.Valoarea maxima a fortei de frecare de repaus este proportionala cu forta de

reactiune normala.

3.Ce reprezinta tribometrul?Tribometrul este un aparat special folosit ,in conditii de laborator pentru

determinarea coeficientului de frecare ce caraacterizeaza diferite materiale.

4.Pe care tabla este mai usor de scris:pe cea neteda sau pe cea zgrunturoasa?Argumentati raspunsul.

Este mai usor de scris pe o tabla zgrunturoasa, deoarece forta de frecare dintre tabla cu neregularitati si creta este mai mare decit intre tabla neteda si creta si asfel creta nu

va aluneca atit de usor incit sa fie imposibil de lasat urme.

5.Un corp cu masa de 20kg aluneca uniform rectiliniu pe o suprafata orizontala sub actiunea fortei de 50N. Sa se afle coeficientul de frecare dintre corp si suprafata orizontala.

Se da:M=20kgF=50N

µ-?

Rezolvare:

50µ= 0,25

20 10 /f fF F N

N m g kg N kg

Raspuns: µ= 0,25

A efectuat:eleva clasei a X- A efectuat:eleva clasei a X- a ‘B” Ianovitchi Tatianaa ‘B” Ianovitchi Tatiana

A verificat:profesorul de A verificat:profesorul de fizica Curbet Alexandrufizica Curbet Alexandru

17 ianuarie 2007-Straseni