Tarcie

Każde ciało, które porusza się doznaje działania pewnych sił - tzw. sił oporu. Opór ten wynika z istnienia ośrodka, w którym to ciało się porusza. Rozróżniamy kilka rodzajów sił oporu:

  • Siły oporu jakie powstają przy przesuwaniu jednej powierzchni po drugiej
  • Siły oporu jakich doznaje poruszające się ciało w powietrzu, np. samolot czy lecąca piłka
  • Siły oporu jakich doznaje poruszające się ciało w wodzie, np. statek, łódź czy żaglówka

Wszystkie te siły oporu określamy mianem sił tarcia. I choć ich pochodzenie może być różne, to wszystkie one mają jedną wspólną cechę - ich wartość zależy od prędkości poruszającego się ciała, a kierunek jest zawsze przeciwny do kierunku ruchu tego ciała. Oprócz sił tarcia występujących w przypadku ciała poruszającego się, obserwujemy także siły tarcia dla ciał spoczywających - tzw. tarcie statyczne. Gdy ciało spoczywa, powiedzmy na stole, to wypadkowa sił działających na nie jest równa zero. Jeśli jednak spróbujemy dane ciało (np. sanki) poruszyć poprzez popchnięcie lub pociągnięcie, to odczujemy działanie pewnej siły nie pozwalającej nam na to. Możemy także zauważyć, że ta siła jest większa w przypadku sanek leżących na asfaltowej powierzchni, a mniejsza gdy sanki znajdują się na lodzie. Widzimy, iż tarcie to bezpośrednio od powierzchni, na której znajduje się ciało, czyli od rodzaju powierzchni stykających się ze sobą.

Występowanie sił tarcia jest bezpośrednio związane z tym, iż w przyrodzie nie obserwujemy powierzchni idealnie gładkich. Jeśli nam się nawet wydaje, że jakaś powierzchnia jest idealnie gładka, to gdy jej się bliżej przyjrzymy np. pod mikroskopem, to ujrzymy, że tak naprawdę jest chropowata, posiada szereg nierówności i bardzo daleko jej do doskonałości. Powierzchnie stykając się ze sobą, powodują, że te wszystkie nierówności zazębiają się ze sobą, co powoduje powstawanie oporów przeciwdziałających wzajemnemu ruchowi powierzchni. Wielkość tych oporów zależy od rodzaju powierzchni stykających się ze sobą, niektóre z nich mogą być mniej lub bardziej chropowate. Widać to na prostym przykładzie ruchu sanek, które zupełnie inaczej poruszają się po lodzie, a zupełnie inaczej po trawie czy ziemi. Jednak w każdym przypadku poruszającego się ciała po określonej powierzchni, ciało to stopniowo zaczyna tracić nadaną mu prędkość. Dlatego też aby ciało nadal kontynuowało swój ruch należy cały czas działać na nie siłą, która będzie się przeciwstawiać tarciu. I tak samochód, aby nie zwalniał, napędzany jest silnikiem, wagony kolejowe musi ciągnąc lokomotywa, a na których siedzimy druga osoba, korzystająca z siły swoich mięśni.

Zasadniczo tarcie kinetyczne można podzielić na trzy rodzaje: poślizgowe, toczne i wiertne.

Z tarciem poślizgowym spotykamy się w przypadku dwóch powierzchni przesuwających się po sobie. Dla przykładu możemy użyć klocka leżący na stole, który popychamy. Klocek po pewnym czasie zatrzyma się w wyniku działania sił tarcia. Natomiast z tarciem tocznym spotykamy się w przypadku, gdy klocek zastąpimy walcem lub kulą, występuje zawsze w przypadku toczenia się ciała po danej powierzchni, dlatego min. samochód nie napędzany silnikiem w końcu musi się zatrzymać. Z tarciem wiertnym mamy do czynienia, jak sama nazwa wskazuje, w przypadkach, gdy dokonujemy pewnego drążenia ciałem w określonej powierzchni.

Te wszystkie rodzaje tarcia kinetycznego, a także tarcie statyczne są to przykłady tarcia zewnętrznego, z którym mamy do czynienia, gdy powierzchnie stykają się ze sobą, spoczywających lub będących w ruchu względem siebie. I jak łatwo się domyślić oprócz tarcia zewnętrznego istnieje jeszcze tarcie wewnętrzne, nazywane także lepkością. Jest to tarcie, jakie powstaje we wnętrzu cieczy bądź gazu, powodujące powstawanie sił oporów pomiędzy poruszającymi się warstwami cieczy lub gazu.

Wszystkie jednak zjawiska tarcia prowadzą do podobnych efektów - rozpraszania energii kinetycznej ciała, poprzez wydzielanie ciepła, elektryzowanie się, a nawet niszczenie. Jednak nie ulega wątpliwości, że siły tarcia odgrywają w przyrodzie ogromną rolę. To dzięki nim możemy poruszać się bezproblemowo i normalnie egzystować. Są szeroko wykorzystywane w technice w różnorakiego rodzaju urządzeniach. Skutki ich działania mogą być zarówno pozytywne jak i negatywne. Jak już wspomnieliśmy, jednym z efektów ich działania jest hamowanie ciała. Dla przypadku, gdy zależy nam na w miarę bezproblemowym ruchu ciała, wtedy tarcie jest czynnikiem szkodliwym. Powoduje ono zwalnianie samochodu, pociągu, roweru. Rakieta wystrzeliwana w kosmos jest tutaj najlepszym przykładem szkodliwości działania tarcia, w którym czoło rakiety ścierając się z powietrzem nie tylko hamuje rakietę, ale także powoduje jej niebezpieczne nagrzewanie się.

Tarcie jest także bardzo niepożądanym efektem przy działaniu różnego rodzaju mechanizmów, bowiem to w wyniku jego działania poszczególne elementy stykające się ze sobą ulegają zniszczeniu. Powoduje to konieczność systematycznego sprawdzania stanu elementów i ich wymianie. Podnosi to oczywiście koszty działania urządzeń. Dlatego też w celu zmniejszenia tych negatywnych skutków tarcia, stosuje się różne substancje zmniejszające działanie tarcia. Najbardziej popularnymi są wszelkiego rodzaju smary, które powodują wolniejsze niszczenie się materiałów i powodują mniejsze nagrzewanie się ciał, a co za tym idzie mniejsze straty energii mechanicznej ciała. Można także zmniejszać opory ciała poprzez zamianę tarcie poślizgowego na tarcie toczne, tak jak w przypadku stosowania różnego rodzaju łożysk, które w znaczący sposób zmniejszają opory ruchu. Pomysł ten już był stosowany w starożytnym Egipcie, gdzie aby przesuwać kamienne bloki po piasku, podkładano pod nie drewniane bele.

Jednak tarcie potrafi być także bardzo pożyteczne i jak najbardziej pomocne w życiu człowieka. Każde ciało potrzebuje tarcia, aby je wprawić w ruch, bądź zatrzymać. Jeśli sobie przypomnimy ślizganie się na ślizgawce, to wiemy, że bardzo ciężko jest się poruszać po takiej powierzchni. Gdyby ustawić samochód bądź lokomotywę na takiej ślizgawce to niemożliwym stało by się wprawienie ich w ruch, koła obracałyby się w tym samym miejscu. A to wynika z tego, że tarcie w tym przypadku byłoby bardzo małe. Gdyby nie istniało zjawisko tarcia, nie bylibyśmy w stanie zatrzymać pędzącego samochodu, bądź lokomotywy. Aby zatrzymać te pojazdy stosuję się specjalne systemy hamowania, takie jak klocki bądź tarcze hamulcowe, polegające na ich dociskaniu do kół poruszającego się pojazdu. Wskutek tarcia, energia kinetyczna kół jest zamieniana w ciepło, przez co pojazd zwalnia.

Tarcie jest bardzo często czynnikiem utrudniającym ruch ciała, tak jak w przypadku wzajemnego ruchu łożyska koła, a ośki samochodu, lub w przypadku ruchu tłoka w cylindrze silnika. Jednak równie często jest nieocenionym zjawiskiem, gdy przychodzi do zatrzymania poruszającego się ciała. Gdyby nie tarcie nie bylibyśmy w stanie zatrzymać pędzącego samochodu, czego skutki mogłyby być katastrofalne. Jest ono obecne w każdym aspekcie naszego życia codziennego. Bez niego nie moglibyśmy pisać, prać, utrzymywać w dłoniach przedmiotów, a nawet chodzić. Jest niezbędnym elementem działania każdego urządzenia mechanicznego, przykładami tu mogą być sprzęgło w samochodzie, czy każdy inny mechanizm zębatkowy. To dzięki tarciu możemy usłyszeć dźwięk z instrumentów smyczkowych. Dzięki tarciu istnieją także spadochrony, wykorzystujące naturalne opory powietrza działające na nie. Wiele urządzeń, których zadaniem jest szlifowanie materiałów także nie mogłoby istnieć gdyby nie zjawiska tarcia. Nawet prosty mechanizm zapalniczki byłby bezużyteczny, gdyby nie tarcie.

W przypadkach gdy należy tarcie zmniejszać, ponieważ jest czynnikiem niepożądanym, człowiek nauczył się stosować różnego rodzaju smary i oleje ( jak olej silnikowy powodujący minimalizację tarcia tłoka w cylindrze ) wprowadzając je pomiędzy stykające się powierzchnie ciał, lub zamieniać jeden rodzaj tarcia w drugi, ale mniej szkodliwy. Człowiek także nauczył się w pełni wykorzystywać pozytywne aspekty istnienia tarcia do budowania systemów hamujących, różnych urządzeń do obróbki materiałów i z powodzeniem je wykorzystuje w innych dziedzinach.

Jak więc widać, siły tarcia odgrywają kluczową rolę w życiu człowieka. Bez ich istnienia nie możliwa byłaby normalna egzystencja. Tak, więc bardzo ważną rzeczą jest coraz wnikliwsze zgłębianie ich natury, oraz pochodzenia. Poznanie praw rządzących siłami tarcia jest potrzebne każdej dziedzinie życia człowieka.

Przykład doświadczenia wykorzystującego tarcie.

Dzięki temu doświadczeniu, możemy na własne oczy się przekonać o wielu właściwościach sił tarcia. W doświadczeniu tym badamy poruszanie się talerza po pewnej powierzchni. Wykorzystujemy siły tarcia do poruszenia talerza, bez bezpośredniego jego dotykania. Oraz możemy zaobserwować, iż działające siły tarcia mają zawsze pewną granicę - granicę tą możemy pokonać stosując odpowiednio dużą siłę. Rozpatrzymy w sposób szczegółowy nasze doświadczenie:

Wyobraźmy sobie sytuację, w której ciało znajduje się na poziomej nieruchomej powierzchni. Ciało to obdarzone jest masą m i pod wpływem działania siły grawitacji działa siłą nacisku Fn na powierzchnię. Gdy przyłożymy do naszego ciała siłę F, równoległą do powierzchni, powstanie siła tarcia Ft skierowana przeciwnie do siły F. I jeśli siła F jest mniejsza od powstałej siły tarcia Ft to ciało pozostaje w spoczynku. Widoczne tu tarcie działające na ciało nazywamy tarciem statycznym. Tarcie to posiada pewną swoją graniczną wartość FS. Możemy, zatem zapisać warunek, na to, aby ciało pozostawało w spoczynku:

0 < F < FS

Maksymalna wartość tarcia statycznego jest równa sile nacisku ciała na powierzchnię:

FS = μS Fn → FS = μS mg

μS - jest to współczynnik tarcia, w tym przypadku współczynnik tarcia statycznego

Gdy siła F, którą przyłożymy będzie większa od siły tarcia statycznego, to ciało zacznie się poruszać. Zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona, działanie siłą na ciało powoduje wprawienie go w ruch jednostajnie przyśpieszony. Jednak przyśpieszenie, jakiego doznaje ciało będzie mniejsze niż w przypadku gdyby na ciało działała tylko sama siła F. Bowiem w rzeczywistym ruchu na ciało działają jak wiemy, także siły tarcia. Tarcie, jakie wtedy będzie działało na ciało - tarcie kinetyczne Fk. Wypadkowe przyśpieszenie, z jakim będzie się poruszać ciało:

ma = F - Fk

Tarcie kinetyczne wyraża się podobnym wzorem jak tarcie statyczne:

Fk = μk Fn

Jednak w tym przypadku współczynnik proporcjonalności nazywany jest współczynnikiem tarcia kinetycznego kinetycznego i ma mniejszą wartość, niż współczynnik tarcia statycznego:

μk < μS

Tak więc podsumowując: działając siłą na ciało spoczywające na określonej powierzchni powodujemy powstanie siły tarcia statycznego przeciwnie skierowanej. Jeśli siła, z którą działamy na ciało jest na tyle duża, aby pokonać siłę tarcia statycznego, to ciało zostanie wprowadzone w ruch. Ruch ten odbywa się pod działaniem siły będącej wypadkową przyłożonej przez nas siły i siły tarcia kinetycznego.

Znając już podstawy teorii możemy przejść do naszego doświadczenia. W doświadczeniu tym, kładziemy ciało na powierzchni, a następnie powierzchnię tą podnosimy za jeden z końców coraz wyżej, tworząc w ten sposób równie pochyłą o coraz większym kącie nachylenia. Przy początkowym nachylaniu ciało nie będzie się zsuwać, jednak przy pewnym określonym kącie nachylenia ciało zacznie zsuwać się z równi. Kąt α pod jakim wtedy będzie nachylona powierzchnia będzie kątem granicznym siły tarcia statycznego. Siła tarcia statycznego jak już wiemy, jest proporcjonalna do siły nacisku, jaki wywiera ciało na daną powierzchnię. W tym wypadku będzie to składowa siły grawitacji, prostopadła do powierzchni równi.

FS = μS mgcosα

Jednak siła F odpowiadająca za zsuwanie się ciała, czyli składowa siły grawitacji, równoległa do powierzchni równi:

F = m g sinα

Musi być równa co do wartości sile tarcia statycznego w przypadku nachylenia powierzchni pod kątem granicznym, co prowadzi do warunku

F = FS

m g sinα = μS mgcosα

A stąd możemy wyznaczyć wartość współczynnika tarcia statycznego dla określonej powierzchni:

μS = tgα

W ten sposób w bardzo prosty sposób można własnoręcznie wyliczyć współczynnik tarcia dla interesującej nas powierzchni, a następnie porównać go z danymi tablicowymi.

Na koniec warto jeszcze raz uzmysłowić sobie rolę jaką siły tarcia odgrywają w przyrodzie. Dzięki siłom tarcia możliwy jest ruch wszelkich pojazdów poruszających się po powierzchni Ziemi. Gdy ich brakuje, lub są bardzo małe, jak to możemy zaobserwować w przypadku gołoledzi, bądź oblodzonych jedni lub torów, dzieją się rzeczy straszne i katastrofalne. Istnieją także negatywne aspekty istnienia sił tarcia, tak jak w przypadku tarcia w silnikach samochodowych, czy innych elementach mechanicznych. Jednak człowiek nauczył się już w znakomity sposób radzić sobie z tarciem w przypadkach gdy jest ono niepożądanym zjawiskiem. A w przypadkach kiedy jego istnienie jest bardzo wskazane nauczył się je odpowiednio wykorzystywać i maksymalizować.