เกรด 7 · แรง
แรงเสียดทาน
แรงเสียดทานสถิต แรงเสียดทานจลน์ และแรงต้านการกลิ้งในเทคโนโลยีและชีวิตประจำวัน
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
ดึงตู้เบา ๆ ตู้ไม่ขยับ ดึงแรงขึ้นก็ยังนิ่ง จนกระทั่งเริ่มไถล ทำไมตอนแรกแรงเสียดทานจึงดูเหมือนเปลี่ยนตามแรงดึงของเรา? และทำไมถ้าไม่มีแรงเสียดทาน เราจึงเดินตามปกติไม่ได้?
ก่อนเริ่มไถล
หากตู้ยังนิ่งขณะถูกดึงแนวราบ อะไรทำให้แรงดึงสมดุล? พื้นต้านการเลื่อนสัมพัทธ์ระหว่างผิวที่สัมผัสกัน นี่คือแรงเสียดทานสถิต เมื่อดึงเบา แรงเสียดทานมีขนาดเท่ากับแรงดึงและทิศตรงข้าม หากเพิ่มแรงดึงภายในขอบเขตหนึ่ง แรงเสียดทานก็เพิ่มตาม แต่การปรับค่านี้มีขีดจำกัด เมื่อแรงที่ต้องใช้รักษาสมดุลเกินขีดจำกัด การไถลจะเริ่มขึ้น
แรงเสียดทานช่วยได้
ลองนึกถึงพื้นลื่นสมบูรณ์ เท้าพยายามถีบไปด้านหลังแต่กลับไถล จึงแทบไม่ทำให้ตัวเราเร่งไปข้างหน้า บนพื้นปกติ เท้าไม่ไถลขณะถีบ เท้าออกแรงต่อพื้นไปด้านหลัง และพื้นออกแรงเสียดทานสถิตต่อเท้าไปด้านหน้า ดังนั้นคำว่าแรงเสียดทานต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอจึงไม่ถูก ต้องถามว่าผิวสัมผัสไถลหรือมีแนวโน้มจะไถลเทียบกันอย่างไร
เมื่อวัตถุไถล
ทีนี้ตู้ไถลไปทางขวาบนพื้นอยู่นิ่ง แรงเสียดทานจลน์จากพื้นกระทำต่อตู้ไปทางซ้าย ต้านการไถลสัมพัทธ์ ขนาดแรงวัดเป็นนิวตัน แต่ถ้าวางแท่งวัตถุบนสายพานที่เคลื่อนไปทางขวาและไถลอยู่ใต้มัน แรงเสียดทานอาจทำให้แท่งวัตถุเร่งไปทางขวาได้ ทิศจึงขึ้นกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของผิว ไม่ใช่เพียงทิศความเร็วของแท่งวัตถุเทียบกับห้อง
ผิวถูกกดเข้าหากันมากเพียงใด?
กดยางลบที่กำลังไถลกับโต๊ะให้แรงขึ้น โดยทั่วไปจะดึงได้ยากขึ้น เราอธิบายการกดเข้าหากันด้วยแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N ซึ่งเป็นแรงที่สิ่งรองรับกระทำต่อวัตถุในทิศตั้งฉากกับผิว ในที่นี้ N เป็นสัญลักษณ์ของแรง ส่วนหน่วยคือนิวตัน บนโต๊ะราบที่ไม่มีแรงแนวดิ่งอื่นและไม่มีความเร่งแนวดิ่ง N = mg การกดเพิ่มทำให้ N เพิ่ม ถ้าสิ่งรองรับเอียงหรือมีการกระทำอื่น ต้องพิจารณาแรงแยกตามกรณี
คำนวณแรงเสียดทานจลน์
ในการทดลองกับผิวแห้ง เรามักประมาณแรงเสียดทานจลน์ด้วย Fтр = μN สัมประสิทธิ์ μ ไม่มีมิติและขึ้นกับคู่วัสดุกับสภาพผิว เมื่อ μ คงเดิม การเพิ่ม N เป็นสองเท่าทำให้แรงเสียดทานเป็นสองเท่า ส่วนการลด μ ทำให้แรงเสียดทานลดลงที่แรงกดเท่าเดิม สูตรจึงแยกวิธีเปลี่ยนแรงต้านสองวิธี คือเปลี่ยนผิวหรือเปลี่ยนแรงที่กดเข้าหากัน นี่เป็นแบบจำลองจากการทดลอง ไม่ใช่กฎที่แม่นตรงสำหรับทุกผิวสัมผัสและทุกอัตราเร็ว
ขอบเขตของแบบจำลอง
แท่งวัตถุที่วางนิ่งและไม่มีแรงแนวราบ จะมีแรงเสียดทาน μN เพียงเพราะสัมผัสโต๊ะหรือ? ไม่ใช่ เพราะไม่มีแรงแนวราบที่ต้องทำให้สมดุล แรงเสียดทานสถิตจึงเป็นศูนย์ได้ ในที่นี้ Fтр = μN ใช้กับการไถล แบบจำลองง่ายนี้ไม่ได้ใช้พื้นที่สัมผัสที่มองเห็นโดยตรง การพลิกแท่งวัตถุวางอีกด้านจึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแรงเสียดทานหาก N และ μ เท่าเดิม แต่ผิวจริงอาจมีพฤติกรรมนอกขอบเขตการประมาณนี้
ทำไมจึงใช้ล้อ?
วางของบนล้อแทนการลากกับพื้น ผิวด้านล่างทั้งหมดไม่ต้องไถลต่อเนื่อง การขนย้ายจึงมักง่ายขึ้น แต่ขณะกลิ้ง ล้อและพื้นเปลี่ยนรูปเล็กน้อย พลังงานส่วนหนึ่งที่ใช้ไปไม่ได้กลับคืนสู่การเคลื่อนที่ จึงเกิดแรงต้านการกลิ้ง ซึ่งโดยทั่วไปน้อยกว่าแรงเสียดทานจลน์ภายใต้เงื่อนไขที่เทียบกันได้ อย่างไรก็ตาม ยังต้องมีการยึดเกาะระหว่างล้อกับถนน ไม่เช่นนั้นจะเร่ง เบรก และเลี้ยวได้ยาก
แรงเสียดทานของกล่องที่ไถล
กล่องกำลังไถล โดย N = 60 Н, μ = 0,25 จงหาแรงเสียดทาน
ลองดูตัวอย่าง · 1
มีการไถลอยู่แล้ว จึงใช้แบบจำลอง Fтр = μN ได้
ลองดูตัวอย่าง · 2
Fтр = 0,25·60 Н = 15 Н สัมประสิทธิ์ไม่มีมิติ ผลจึงมีหน่วยเป็นนิวตัน
ลองดูตัวอย่าง · 3
แรงมีทิศต้านการเคลื่อนที่ของกล่องเทียบกับผิว
เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า
15 Н ในทิศต้านการไถลสัมพัทธ์
ใจความสำคัญ · 1
ทิศแรงเสียดทานขึ้นกับการไถลสัมพัทธ์หรือแนวโน้มที่จะเริ่มไถล แรงเสียดทานทำให้วัตถุเร่งได้
ใจความสำคัญ · 2
แรงเสียดทานสถิตปรับค่าตามแรงอื่นได้ถึงขีดจำกัด และอาจเป็นศูนย์
ใจความสำคัญ · 3
Fтр = μN เป็นการประมาณสำหรับการไถลแบบแห้ง ต้องดูชนิดการสัมผัสและแรงปฏิกิริยาตั้งฉากก่อน
เราจะไปที่ไหนต่อไป?
แรงเท่ากันที่กระทำบนพื้นที่มากหรือน้อยให้ผลต่างกัน เรื่องนี้จะนำเราไปสู่ความดัน
แนวคิดพื้นฐาน
แรงเสียดทานสถิต
แรงที่ป้องกันไม่ให้เกิดการเลื่อนสัมพัทธ์ของพื้นผิวสัมผัส
เป็นแรงเสียดทานสถิตที่ช่วยให้เท้าดันออกจากพื้นได้โดยไม่ลื่นไถลและทำให้วัตถุอยู่บนพื้นผิวลาดเอียง
แรงต้านการกลิ้ง
แรงต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุที่กลิ้ง ซึ่งโดยทั่วไปน้อยกว่าแรงเสียดทานจลน์ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
ล้อช่วยลดการสูญเสียระหว่างการขนส่ง แต่แรงเสียดทานยังคงจำเป็นสำหรับการเร่งความเร็ว การเบรก และการบังคับเลี้ยว
แรงเสียดทานจลน์
แรงที่เกิดจากการสัมผัสและมีทิศต้านการไถลสัมพัทธ์ระหว่างผิว
ในแบบจำลองง่าย ขนาดแรงขึ้นกับวัสดุ สภาพผิว และแรงกดเข้าหากัน ไม่ได้ขึ้นกับพื้นที่สัมผัสโดยตรง
ปริมาณทางฟิสิกส์
แรงเสียดทาน
F_{\text{тр}}แรงต้านการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของพื้นผิวสัมผัส
หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}
สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน
\muสมบัติที่ไม่มีมิติของผิวสัมผัสคู่หนึ่ง
หน่วย: ปริมาณไร้มิติ
แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก
Nแรงที่สิ่งรองรับกระทำต่อวัตถุในทิศตั้งฉากกับผิว
หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}
สูตรบทเรียน
แรงเสียดทานจลน์
F_{\text{тр}} = \mu Nแรงเสียดทานจลน์เท่ากับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานคูณด้วยแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก
เงื่อนไข: แบบจำลองการไถลแบบแห้งบนสิ่งรองรับแนวราบหรือสิ่งรองรับตามที่โจทย์กำหนด
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ