Friksjon, fjærer og trinser
Dette faget skrives fortsatt. Innholdet kan endre seg.
Med Newtons lover på plass trenger vi gode modeller for de kreftene som dukker opp igjen og igjen: friksjon, fjærkraft og snordrag. Alle er kontaktkrefter, og alle er forenklinger av hva som skjer mellom atomene i flatene.
Friksjon
Friksjon virker langs kontaktflaten og motvirker at flatene glir mot hverandre. Vi skiller mellom to typer:
- Statisk friksjon (hvilefriksjon) \(f_s \le \mu_s N\). Den er akkurat så stor som trengs for å holde legemet i ro, opp til en største verdi \(\mu_s N\).
- Kinetisk friksjon (glidefriksjon) \(f_k = \mu_k N\), når flatene glir mot hverandre. Den peker mot den relative bevegelsen.
Her er \(N\) normalkraften, og \(\mu_s\) og \(\mu_k\) er friksjonstallene. De er rene tall uten enhet. Vanligvis er \(\mu_k < \mu_s\): Det er tyngre å få noe i gang enn å holde det gående.
| Flater | \(\mu_s\) | \(\mu_k\) |
|---|---|---|
| gummi på tørr betong | 1.0 | 0.7 |
| gummi på våt betong | 0.5–0.7 | 0.3–0.5 |
| tre på tre | 0.5 | 0.3 |
| voksede ski på våt snø | 0.14 | 0.1 |
| stål på stål (tørt) | 0.6 | 0.3 |
| stål på stål (oljet) | 0.05 | 0.03 |
| teflon på stål | 0.04 | 0.04 |
| sko på tre | 0.9 | 0.7 |
| sko på is | 0.1 | 0.05 |
| stål på is | 0.4 | 0.02 |
Eksempel: Hvor hardt må du dytte? En kasse på \(40\ \mathrm{kg}\) står på et tregulv, med \(\mu_s = 0.50\) og \(\mu_k = 0.30\).
a) Hvor stor vannrett kraft må til for å få kassen i gang?
b) Hvor stor kraft trengs for å holde den gående med konstant fart?
c) Du dytter med \(100\ \mathrm{N}\) mens kassen står i ro. Hvor stor er friksjonen?
Loddrett er det ingen akselerasjon, så \(N = m\mathrm{g} = 40\cdot9.81\ \mathrm{N} = 392\ \mathrm{N}\).
a) Kassen begynner å gli når kraften overstiger største hvilefriksjon: \(F = \mu_s N = 0.50\cdot392\ \mathrm{N} \approx \underline{\underline{0.20\ \mathrm{kN}}}\).
b) Konstant fart betyr \(\sum F = 0\), så \(F = f_k = \mu_k N = 0.30\cdot392\ \mathrm{N} \approx \underline{\underline{0.12\ \mathrm{kN}}}\).
c) \(100\ \mathrm{N}\) er mindre enn \(196\ \mathrm{N}\), så kassen står i ro. Da er \(\sum F = 0\), og friksjonen er akkurat \(\underline{\underline{100\ \mathrm{N}}}\), mot dyttet. Hvilefriksjonen er ikke alltid \(\mu_s N\), bare høyst så stor.
Et dekk som ruller uten å skli, har statisk friksjon mot veien. Låser hjulene seg, blir det kinetisk friksjon, som er mindre. ABS-bremser hindrer hjulene i å låse seg, slik at bilen bremser med den største friksjonen og samtidig kan styres.
Fjærkraft
En ideell fjær følger Hookes lov: Kraften er proporsjonal med hvor mye fjæra er strukket eller presset sammen fra likevekt, \[ F_k = -kx \] Minustegnet betyr at kraften virker mot utstrekningen: Strekker du fjæra, drar den tilbake. Presser du den sammen, dytter den ut. Fjærkonstanten \(k\) (enhet \(\mathrm{N/m}\)) sier hvor stiv fjæra er. Når vi bare trenger størrelsen, skriver vi \(F_k = kx\).
Eksempel: Trampoline. En person på \(70\ \mathrm{kg}\) står i ro på en trampoline som virker som en fjær med \(k = 2.5\ \mathrm{kN/m}\). Hvor mye er duken presset ned?
I likevekt er \(a = 0\), så \(\sum F = kx - m\mathrm{g} = 0\): \[ x = \frac{m\mathrm{g}}{k} = \frac{70\ \mathrm{kg}\cdot9.81\ \mathrm{m/s^2}}{2.5\cdot10^3\ \mathrm{N/m}} \approx \underline{\underline{27\ \mathrm{cm}}} \]
Snordrag
En stram snor drar i det den er festet til, med en kraft langs snora. Den kalles snordrag og skrives \(S\) (eller \(T\)). En snor kan bare dra, aldri dytte. I en ideell snor (masseløs og ustrekkelig) er snordraget like stort i hele snora, og alt som henger i den, har samme fart og akselerasjon langs snora.
Trinser og systemer av legemer
Klosser kan kobles sammen med en snor over en friksjonsfri trinse. Tre ting er verdt å merke seg:
- Indre krefter nuller hverandre ut Snora drar i begge klossene med like stort snordrag \(S\). For systemet som helhet er summen av de indre kreftene null.
- Bare ytre krefter akselererer systemet Newtons 2. lov gjelder for hele systemet, med den samlede massen.
- Trinsa endrer bare retningen Kraften fra en ideell trinse snur snora. Den bidrar ikke til fartsøkningen langs snora.
Eksempel: Lodd på trinse. Kloss \(M_1\) ligger på et bord, kloss \(M_2\) henger i snora. Finn akselerasjonen.
Gjør det først uten friksjon, og så med kinetisk friksjonstall \(\mu_k\) mellom \(M_1\) og bordet.
Uten friksjon (\(\mu_k = 0\)): For \(M_1\) er \(N_1 = G_1\) (ingen bevegelse loddrett). Langs snora er den eneste ytre kraften som driver systemet, tyngden \(G_2 = M_2\mathrm{g}\). Hele systemet har massen \(M_1 + M_2\): \[ M_2\mathrm{g} = (M_1 + M_2)\,a \quad\Rightarrow\quad a = \frac{M_2}{M_1 + M_2}\,\mathrm{g} \]
Med friksjon (\(\mu_k > 0\)): Nå bremser friksjonen \(f = \mu_k N_1 = \mu_k M_1\mathrm{g}\): \[ M_2\mathrm{g} - \mu_k M_1\mathrm{g} = (M_1 + M_2)\,a \quad\Rightarrow\quad a = \frac{M_2 - \mu_k M_1}{M_1 + M_2}\,\mathrm{g} \] Sjekk: Med \(\mu_k = 0\) får vi resultatet over igjen. Og er \(\mu_k M_1 > M_2\), blir \(a\) negativ. Det betyr at systemet ikke kommer i gang. Da gjelder ikke formelen lenger, og den statiske friksjonen holder klossene i ro.
Finn snordraget \(S\) i eksempelet med lodd på trinse uten friksjon.
Se på \(M_1\) alene. Den eneste vannrette kraften på den er snordraget, så \(S = M_1 a\): \[ S = M_1\cdot\frac{M_2}{M_1 + M_2}\,\mathrm{g} = \frac{M_1M_2}{M_1 + M_2}\,\mathrm{g} \] Snordraget er mindre enn tyngden \(M_2\mathrm{g}\) av det hengende loddet. Det må det være, ellers ville ikke \(M_2\) akselerert nedover.
To lodd, \(m_1 = 2.0\ \mathrm{kg}\) og \(m_2 = 3.0\ \mathrm{kg}\), henger i hver sin ende av en snor over en friksjonsfri trinse. Finn akselerasjonen og snordraget.
Systemet beveger seg slik at \(m_2\) går ned. Langs snora (positiv retning: \(m_2\) ned, \(m_1\) opp) er de ytre kreftene \(m_2\mathrm{g}\) med og \(m_1\mathrm{g}\) mot: \[ a = \frac{m_2 - m_1}{m_1 + m_2}\,\mathrm{g} = \frac{1.0}{5.0}\cdot9.81\ \mathrm{m/s^2} \approx \underline{\underline{2.0\ \mathrm{m/s^2}}} \] For \(m_1\) alene (positiv opp): \(S - m_1\mathrm{g} = m_1a\), så \[ S = m_1(\mathrm{g} + a) = 2.0\cdot(9.81 + 1.96)\ \mathrm{N} \approx \underline{\underline{24\ \mathrm{N}}} \] Snordraget ligger mellom tyngden av det lette (\(19.6\ \mathrm{N}\)) og det tunge loddet (\(29.4\ \mathrm{N}\)).
En bil bremser med låste hjul på våt asfalt (\(\mu_k = 0.40\)) fra \(72\ \mathrm{km/h}\).
Hvor stor er akselerasjonen?
Hvor lang er bremsestrekningen?
Hva blir bremsestrekningen med ABS, der hjulene ruller og \(\mu_s = 0.60\) virker?
a) Loddrett: \(N = m\mathrm{g}\). Vannrett: \(-\mu_kN = ma\), så \(a = -\mu_k\mathrm{g} = -0.40\cdot9.81\ \mathrm{m/s^2} \approx \underline{\underline{-3.9\ \mathrm{m/s^2}}}\). Massen forsvinner.
b) \(v_0 = 72/3.6\ \mathrm{m/s} = 20\ \mathrm{m/s}\). Fra \(2as = v^2 - v_0^2\) med \(v = 0\): \[ s = \frac{v_0^2}{2\mu_k\mathrm{g}} = \frac{(20\ \mathrm{m/s})^2}{2\cdot0.40\cdot9.81\ \mathrm{m/s^2}} \approx \underline{\underline{51\ \mathrm{m}}} \]
c) Med \(\mu_s = 0.60\): \(s = \dfrac{400}{2\cdot0.60\cdot9.81}\ \mathrm{m} \approx \underline{\underline{34\ \mathrm{m}}}\). ABS sparer altså rundt \(17\ \mathrm{m}\), og bilen kan styres underveis.
To fjærer med fjærkonstantene \(k_1\) og \(k_2\) kobles etter hverandre (i serie), og et lodd med tyngde \(G\) henges i den nederste. Vis at koblingen virker som én fjær med \[ \frac{1}{k} = \frac{1}{k_1} + \frac{1}{k_2} \]
Begge fjærene bærer hele tyngden, så kraften i hver er \(G\). Da strekkes de \(x_1 = G/k_1\) og \(x_2 = G/k_2\). Total strekk er \[ x = x_1 + x_2 = G\left(\frac{1}{k_1} + \frac{1}{k_2}\right) \] En enkelt fjær med konstant \(k\) ville strekkes \(x = G/k\). Sammenligner vi, får vi \(\frac1k = \frac1{k_1} + \frac1{k_2}\). Seriekoblingen er mykere enn hver av fjærene alene.
