In una sezione speciale di fisica - dinamica, quando studiano il movimento dei corpi, considerano le forze che agiscono sul sistema in movimento. Quest'ultimo può svolgere sia un lavoro positivo che negativo. Considera in questo articolo qual è il lavoro della forza di attrito e come viene calcolata.
Il concetto di lavoro in fisica
In fisica, il concetto di "lavoro" è diverso dall'idea ordinaria di questa parola. Il lavoro è inteso come una grandezza fisica, che è uguale al prodotto scalare del vettore forza e del vettore spostamento del corpo. Supponiamo che ci sia qualche oggetto su cui agisce la forza F¯. Poiché nessun' altra forza agisce su di essa, il suo vettore di spostamento l¯ coinciderà in direzione con il vettore F¯. Il prodotto scalare di questi vettori in questo caso corrisponderà al prodotto dei loro moduli, ovvero:
LA=(FA¯l¯)=FAl.
Il valore A è il lavoro svolto dalla forza F¯ per spostare l'oggetto di una distanza l. Tenendo conto delle dimensioni dei valori F e l, troviamo che il lavoro è misurato in newton per metro (Nm) nel sistema SI. Tuttavia, l'unitàNm ha il suo nome: è un joule. Ciò significa che il concetto di lavoro è lo stesso del concetto di energia. In altre parole, se una forza di 1 newton muove un corpo di 1 metro, i costi energetici corrispondenti sono 1 joule.
Qual è la forza di attrito?
Studiare la questione del lavoro della forza di attrito è possibile se sai di che tipo di forza stiamo parlando. L'attrito in fisica è un processo che impedisce qualsiasi movimento di un corpo sulla superficie di un altro quando queste superfici vengono messe in contatto.
Se consideriamo solo i corpi solidi, ci sono tre tipi di attrito per essi:
- riposo;
- scivolare;
- in corso.
Queste forze agiscono tra le superfici di contatto e sono sempre dirette contro il movimento dei corpi.
L'attrito a riposo impedisce il movimento stesso, l'attrito radente si manifesta nel processo di movimento, quando le superfici dei corpi scorrono l'una sull' altra, ed esiste un attrito volvente tra il corpo che rotola sulla superficie e la superficie stessa.
Un esempio dell'azione dell'attrito statico è un'auto con il freno a mano su una collina. L'attrito di scivolamento si manifesta quando uno sciatore si muove sulla neve o un pattinatore si muove sul ghiaccio. Infine, l'attrito volvente agisce mentre la ruota dell'auto si muove lungo la strada.
Le forze per tutti e tre i tipi di attrito sono calcolate utilizzando la seguente formula:
Fat=µtN.
Qui N è la forza di reazione del supporto, µt è il coefficiente di attrito. Forza Nmostra l'entità dell'impatto del supporto sul corpo perpendicolare al piano della superficie. Per quanto riguarda il parametro µt, viene misurato sperimentalmente per ogni coppia di materiali di sfregamento, ad esempio legno-legno, acciaio-neve e così via. I risultati misurati sono raccolti in apposite tabelle.
Per ciascuna forza di attrito, il coefficiente µt ha un proprio valore per la coppia di materiali selezionata. Pertanto, il coefficiente di attrito statico è maggiore di quello per l'attrito radente di diverse decine di percento. A sua volta, il coefficiente di rotolamento è di 1-2 ordini di grandezza inferiore a quello dello scorrimento.
Lavoro delle forze di attrito
Ora, dopo aver preso dimestichezza con i concetti di lavoro e con i tipi di attrito, puoi passare direttamente all'argomento dell'articolo. Consideriamo in ordine tutti i tipi di forze di attrito e scopriamo che lavoro svolgono.
Iniziamo con l'attrito statico. Questo tipo si manifesta quando il corpo non si muove. Poiché non c'è movimento, il suo vettore di spostamento l¯ è uguale a zero. Quest'ultimo significa che anche il lavoro della forza di attrito statico è uguale a zero.
L'attrito radente, per definizione, agisce solo quando il corpo si muove nello spazio. Poiché la forza di questo tipo di attrito è sempre diretta contro il movimento del corpo, significa che fa un lavoro negativo. Il valore di A può essere calcolato usando la formula:
LA=-FAtl=-µtNl.
Il lavoro della forza di attrito radente ha lo scopo di rallentare il movimento del corpo. Come risultato di questo lavoro, l'energia meccanica del corpo viene convertita in calore.
L'attrito di rotolamento, come lo scivolamento, coinvolge anche il movimento del corpo. La forza di attrito volvente fa un lavoro negativo, rallentando la rotazione iniziale del corpo. Poiché stiamo parlando della rotazione del corpo, è conveniente calcolare il valore del lavoro di questa forza attraverso il lavoro della sua quantità di moto. La formula corrispondente è scritta come:
LA=-Mθ dove M=FtR.
Qui θ è l'angolo di rotazione del corpo come risultato della rotazione, R è la distanza dalla superficie all'asse di rotazione (raggio della ruota).
Problema con la forza di attrito radente
È noto che un blocco di legno si trova sul bordo di un piano inclinato di legno. Il piano è inclinato rispetto all'orizzonte con un angolo di 40o. Sapendo che il coefficiente di attrito radente è 0,4, la lunghezza del piano è 1 metro e la massa della barra corrisponde a 0,5 kg, è necessario trovare il lavoro di attrito radente.
Calcola la forza di attrito radente. È uguale a:
FAt=mgcos(α)µt=0.59.81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Allora il lavoro A corrispondente sarà:
LA=-FAtl=-1.51=-1.5 J.
Problema di attrito di rotolamento
È noto che la ruota ha rotolato lungo la strada per una certa distanza e si è fermata. Il diametro della ruota è di 45 cm Il numero di giri della ruota prima dell'arresto è 100. Tenendo conto del coefficiente di rotolamento pari a 0,03, è necessario trovare a quanto è uguale il lavoro della forza di attrito volvente. La massa della ruota è di 5 kg.
In primo luogo, calcoliamo il momento di attrito volvente:
M=FtR=µtmgD/2=0.0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Se il numero di giri fatti dalla ruota viene moltiplicato per 2pi radianti, otteniamo l'angolo di rotazione della ruota θ. Allora la formula per il lavoro è:
A=-Mθ=-M2pin.
Dove n è il numero di giri. Sostituendo dalla condizione il momento M ed il numero n, otteniamo il lavoro richiesto: A=- 207.87 J.
