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Oberflächen üben eine Reibungskraft aus, die Gleitbewegungen widersteht, und Sie müssen die Größe dieser Kraft als Teil vieler physikalischer Probleme berechnen. Die Reibung hängt hauptsächlich von der „Normalkraft“ ab, die die Oberflächen auf die darauf sitzenden Objekte ausüben, sowie von den Eigenschaften der spezifischen Oberfläche, die Sie berücksichtigen. Für die meisten Zwecke können Sie die Formel verwenden F = μN Reibung berechnen, mit N steht für die "normale" Kraft und "μ”Unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Oberfläche.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Berechnen Sie die Reibungskraft mit der Formel:
F = μN
Wo N ist die Normalkraft und μ ist der Reibungskoeffizient für Ihre Materialien und ob sie stationär sind oder sich bewegen. Die Normalkraft ist gleich dem Gewicht des Objekts, daher kann dies auch geschrieben werden:
F = μmg
Wo m ist die Masse des Objekts und G ist die Erdbeschleunigung. Die Reibung wirkt der Bewegung des Objekts entgegen.
Was ist Reibung?
Reibung beschreibt die Kraft zwischen zwei Oberflächen, wenn Sie versuchen, sich übereinander zu bewegen. Die Kraft widersteht der Bewegung, und in den meisten Fällen wirkt die Kraft in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung. Wenn Sie auf molekularer Ebene zwei Oberflächen zusammendrücken, können sich geringfügige Fehler in jeder Oberfläche gegenseitig verriegeln, und es können Anziehungskräfte zwischen den Molekülen des einen Materials und des anderen Materials auftreten. Diese Faktoren erschweren es, sie aneinander vorbeizuführen. Sie arbeiten jedoch nicht auf diesem Niveau, wenn Sie die Reibungskraft berechnen. Für alltägliche Situationen fassen Physiker all diese Faktoren in dem „Koeffizienten“ zusammen μ.
Berechnung der Reibungskraft
Die "normale" Kraft beschreibt die Kraft, die die Oberfläche, auf der ein Objekt aufliegt (oder auf die es gedrückt wird), auf das Objekt ausübt. Bei einem stehenden Objekt auf einer ebenen Fläche muss die Kraft genau der Kraft aufgrund der Schwerkraft entgegenwirken, da sich das Objekt sonst gemäß Newtons Bewegungsgesetzen bewegen würde. Die "normale" Kraft (N) ist der Name für die Kraft, die dies tut.
Es wirkt immer senkrecht zur Oberfläche. Dies bedeutet, dass auf einer geneigten Oberfläche die Normalkraft immer noch direkt von der Oberfläche weg weist, während die Schwerkraft direkt nach unten weist.
Die Normalkraft kann in den meisten Fällen einfach beschrieben werden durch:
N = mg
Hier, m stellt die Masse des Objekts dar, und G steht für die Erdbeschleunigung, die 9,8 Meter pro Sekunde pro Sekunde (m / s) beträgt2) oder Netze pro Kilogramm (N / kg). Dies entspricht einfach dem „Gewicht“ des Objekts.
Bei geneigten Flächen verringert sich die Stärke der Normalkraft umso mehr, je stärker die Fläche geneigt ist. Daher lautet die Formel:
N = mg cos (θ)
Mit θ steht für den Winkel, zu dem die Oberfläche geneigt ist.
Stellen Sie sich für eine einfache Beispielberechnung eine ebene Fläche vor, auf der ein 2 kg schwerer Holzblock liegt. Die Normalkraft würde direkt nach oben zeigen (um das Gewicht des Blocks zu tragen), und Sie würden berechnen:
N = 2 kg × 9,8 N / kg = 19,6 N
Der Koeffizient hängt vom Objekt und der spezifischen Situation ab, mit der Sie arbeiten. Wenn sich das Objekt noch nicht über die Oberfläche bewegt, verwenden Sie den Haftreibungskoeffizienten μstatisch, aber wenn es sich bewegt, verwenden Sie den Gleitreibungskoeffizienten μrutschen.
Im Allgemeinen ist der Gleitreibungskoeffizient kleiner als der Haftreibungskoeffizient. Mit anderen Worten, es ist einfacher, etwas zu schieben, das bereits gleitet, als etwas, das noch gleitet.
Die Materialien, die Sie in Betracht ziehen, wirken sich auch auf den Koeffizienten aus. Wenn sich beispielsweise der Holzblock von früher auf einer Ziegeloberfläche befand, wäre der Koeffizient 0,6, aber für sauberes Holz kann er irgendwo zwischen 0,25 und 0,5 liegen. Für Eis auf Eis beträgt der statische Koeffizient 0,1. Der Gleitkoeffizient reduziert diesen Wert nochmals auf 0,03 für Eis auf Eis und 0,2 für Holz auf Holz. Suchen Sie diese anhand einer Online-Tabelle nach Ihrer Oberfläche (siehe Ressourcen).
Die Formel für die Reibungskraft lautet:
F = μN
Stellen Sie sich als Beispiel einen Holzklotz mit einer Masse von 2 kg auf einem Holztisch vor, der aus dem Stand geschoben wird. In diesem Fall verwenden Sie den statischen Koeffizienten mit μstatisch = 0,25 bis 0,5 für Holz. Nehmen μstatisch = 0,5, um den potenziellen Reibungseffekt zu maximieren und sich an den zu erinnern N = 19,6 N von früher beträgt die Kraft:
F = 0,5 × 19,6 N = 9,8 N
Denken Sie daran, dass die Reibung nur Kraft liefert, um Bewegungen zu widerstehen. Wenn Sie also anfangen, leicht darauf zu drücken und fester zu werden, erhöht sich die Reibungskraft auf einen Maximalwert, den Sie soeben berechnet haben. Physiker schreiben manchmal Fmax um diesen Punkt klar zu machen.
Sobald sich der Block bewegt, verwenden Sie μrutschen = 0,2, in diesem Fall:
Frutschen = μrutschen N
= 0,2 × 19,6 N = 3,92 N