Ytor utövar en friktionskraft som motstår glidande rörelser, och du måste beräkna storleken på denna kraft som en del av många fysikproblem. Mängden friktion beror främst på den ”normala kraften” som ytorna utövar på föremålen som sitter på dem, såväl som egenskaperna hos den specifika yta du funderar på. För de flesta ändamål kan du använda formeln:
Hur man beräknar friktionskraften
F=mu N
för att beräkna friktion, där N står för ”normal ” kraft och ”μ” som inkluderar ytans egenskaper.
Vad är friktion?
Friktion beskriver kraften mellan två ytor när du försöker flytta den ena över den andra. Kraften motstår rörelse, och i de flesta fall verkar kraften i motsatt riktning mot rörelsen. Nere på molekylär nivå, när du trycker ihop två ytor, kan mindre defekter i varje yta låsa sig, och det kan finnas attraktionskrafter mellan molekylerna i ett material och det andra. Dessa faktorer gör det svårare att flytta dem förbi varandra. Du arbetar dock inte på den här nivån när du beräknar friktionskraften. För vardagliga situationer grupperar fysiker alla dessa faktorer i ”koefficienten” μ.
Beräkna friktionskraften
Den ”normala” kraften beskriver den kraft som ytan ett föremål vilar på (eller trycks mot) utövar på föremålet. För ett stillastående föremål på en plan yta måste kraften exakt motverka kraften på grund av gravitationen, annars skulle föremålet röra sig, enligt Newtons rörelselagar. Den ”normala” kraften (N) är namnet på kraften som gör detta.
Den verkar alltid vinkelrätt mot ytan. Det betyder att på en lutande yta skulle normalkraften fortfarande peka direkt bort från ytan, medan tyngdkraften skulle peka direkt nedåt.
Normalkraften kan i de flesta fall enkelt beskrivas med:
N= mg
Här,
m representerar föremålets massa och g står för tyngdaccelerationen som är 9,8 meter per sekund per sekund (m/s2), eller nettowons per kilogram (N/kg). Detta matchar helt enkelt objektets ”vikt”.
För lutande ytor minskar styrkan på normalkraften ju mer ytan lutar, så formeln blir:
N= mgcos{theta}
Med θ står för vinkeln som ytan lutar mot.
För ett enkelt beräkningsexempel, överväg en plan yta med ett 2 kg träblock på. Normalkraften skulle peka direkt uppåt (för att stödja blockets vikt), och du skulle beräkna:
N=2 gånger 9,8 = 19,6 text{ N}
Koefficienten beror på objektet och den specifika situation du arbetar med. Om föremålet inte redan rör sig över ytan använder du den statiska friktionskoefficienten μ
statisk
, men om det rör sig använder du glidfriktionskoefficienten μ
glida.
Generellt sett är glidfriktionskoefficienten mindre än den statiska friktionskoefficienten. Med andra ord, det är lättare att skjuta något som redan glider än att skjuta något som står stilla.
De material du överväger påverkar också koefficienten. Om exempelvis träblocket från tidigare låg på en tegelyta skulle koefficienten vara 0,6, men för rent trä kan den vara allt från 0,25 till 0,5. För is på is är den statiska koefficienten 0,1. Återigen minskar glidkoefficienten detta ännu mer, till 0,03 för is på is och 0,2 för trä på trä. Slå upp dessa för din yta med hjälp av en onlinetabell (se Resurser).
Formeln för friktionskraften säger:
F=mu N
För Tänk till exempel på ett träblock med en massa på 2 kg på ett träbord som skjuts från stationärt. I det här fallet använder du den statiska koefficienten, med μstatisk = 0,25 till 0,5 för trä. Tar μ
static
= 0,5 för att maximera den potentiella effekten av friktion och att komma ihåg N = 19,6 N från tidigare, kraften är:
F=0,5 gånger19. 6 = 9,8text{ N}
Kom ihåg att friktion bara ger kraft för att motstå rörelse, så om du börjar trycka på den försiktigt och blir stadigare kommer friktionskraften att öka till ett maxvärde, vilket är vad du just har beräknat. Fysiker skriver ibland Fmax
för att klargöra detta .
När blocket väl är i rörelse använder du μ
slide = 0,2, i detta fall: F_{slide}=mu_{slide} N=0,2 gånger 19,6 = 3,92text{ N}
= 0,2, i detta fall:
F_{slide}=mu_{slide} N=0,2 gånger 19,6 = 3,92text{ N}
