Tarcie - rodzaje i rola w przyrodzie.

Wszystkie ciała poruszające się napotykają na opór ruchu ze strony ośrodka w którym się poruszają. Siły, które powstają wskutek oporu środowiska, takie jak:
· opór powietrza wywierany na lecący pocisk lub samolot
· opór wody wobec ruchu statku, żaglówki, łodzi
· opór jednej powierzchni przesuwającej się po drugiej

Wszystkie takie siły nazywane są siłami tarcia. Ich pochodzenie jest złożone, maja jednak wspólne cechy - ich wielkość zależy od prędkości, z jaką ciało porusza się w ośrodku, a kierunek jest zawsze skierowany przeciwnie do ruchu. Na ciało spoczywające na stole nie działa żadna siła tarcia. Jeśli jednak chcemy je pociągnąć. Odczuwamy siłę oporu przeciwną do kierunku ruchu. Wielkość tej siły zależy w bardzo skomplikowany sposób od natury powierzchni styku. Siłę tę odczuwamy zupełnie bezpośrednio, wiemy przecież, że mniejszego popchnięcia potrzeba na to by sanki przejechały po lodzie zamarzniętego stawu, niż aby przebyły tej samej wielkości trawnik.

Tarcie jest siłą, która działa hamująco na ruch ciała. Na skutek tarcia, wprowadzone w ruch ciała zatrzymują się po przebyciu niewielkiej drogi, jeśli nie działają siły pokonujące tarcie. Występowanie tarcia podczas ruchu ciał wymaga, w celu utrzymania tego ruchu, działania stałej siły pokonującej tarcie i tak na przykład podczas ruchu wozu pokonuje siła mięśni konia, podczas ruchu pociągu - lokomotywa, samochodu - silnik. Jedną z najważniejszych przyczyn powstania siły tarcia jest chropowatość powierzchni stykających się ze sobą podczas przesuwania jednego ciała po drugim. Każda powierzchnia, nawet ta, którą będziemy uważać za bardzo gładką, posiada pewne nierówności. Są na niej drobne wypukłości i wklęsłości. Podczas przesuwania jednego ciała po drugim nierówności te zazębiają się o siebie i powodują opór, który wcześniej już nazwaliśmy tarciem.

Rodzaje tarcia

Można wyróżnić kilka rodzajów tarcia. Przykładem może być klocek umieszczony na płaskiej, poziomej powierzchni stołu i wprowadzony w ruch przez popchnięcie będzie się poruszał z malejącą prędkością i zatrzyma się po chwili. W tym wypadku będziemy mieli do czynienia ze zjawiskiem tarcia poślizgowego. Przykładem może też być walec metalowy lub drewniany toczący się po powierzchni stołu też z malejącą prędkością, gdyż działa na walec hamująco siła tarcia tłoczonego. Samochód po wyłączeniu silnika porusza się z malejącą prędkością i w końcu zatrzymuje się. Poza tarciem w oponach, silniku, łożyskach itp. występuje tu jeszcze opór ośrodka, tzn. powietrza. Spadanie pod wpływem siły ciężkości kulki metalowej w cieczy (lub też kropli deszczu w powietrzu) odbywa się ze stałą prędkością, występuje tu siła oporu, której przyczyną jest lepkość płynu, czyli tarcie wewnętrzne w ośrodku.

Rozróżniamy, więc dwa zasadnicze typy tarcia - wewnętrzne i zewnętrzne.

Tarcie zewnętrzne - zjawisko oporu w płaszczyźnie zetknięcia dwóch stykających się ciał, będących w ruchu względem siebie; siła skierowana do kierunku ruchu ciała; zjawisku tarcia towarzyszy wydzielenie się ciepła, elektryzowanie się ciał, ich niszczenie. Tarcie, które występuje w dostatecznie grubej warstwie smaru, nazywamy tarciem hydrodynamicznym. Jeśli grubość smarującej warstwy jest mniejsza od 0,1 mikrona (1 mikron = 10-6m) tarcie to nazywamy granicznym. Dopóki ciała spoczywają względem siebie, siłę tarcia nazywamy siłą tarcia statycznego. Gdy ciała poruszają się względem siebie, stykają się ze sobą mówimy o tarciu kinetycznym. Tarcie jest jednym z przejawów oddziaływania ciał. Podobnie jak dla wszystkich rodzajów oddziaływań, również dla tarcia słuszna jest trzecia zasada dynamiki NEWTONA. Tarcie kinetyczne podzielić można na tarcie: poślizgowe, wiertne, toczne. Tarcie poślizgowe jedno z odłamów tarcia zewnętrznego, występujące przy ocieraniu się o siebie powierzchni dwóch ciał stałych, tarcie toczne natomiast występuje podczas toczenia się jednego ciała po drugim. Podział ten zależy od rodzaju ruchu względnego stykających się ciał.

Tarcie wewnętrzne (lepkość) - stawianie oporu między poruszającymi się warstwami cieczy lub gazu względem siebie i rozproszenie energii tj. przekształcenie w ciepło energii mechanicznej dostarczonej do ciała w pięciu procesach jego odkształcenia innymi słowy jest to zjawisko powstawania sił stycznych, przeciwdziałających wzajemnemu przesuwaniu się części cieczy lub gazu.

Rola tarcia w przyrodzie

Tarcie jest zjawiskiem, które panuje powszechnie w przyrodzie i technice. Jest ono niezbędne do poruszania się istot żywych. Siły tarcia działające w trakcie poruszania powstrzymują nas przed upadkiem i pozwalają poruszać się do przodu. Między innymi jest ważny materiał, z którego mamy wytworzone podeszwy w obuwiu. Kolejnym pozytywnym przykładem wykorzystywania siły tarcia i ich zmian jest zakładanie gum z bieżnikiem do pojazdów. Następnym pozytywnym przykładem tarcia jest wykorzystywanie jego sił w budowie hamulców poprzez pokrywanie klocków hamulcowych porowatym materiałem zwiększającym tarcie. Kiedy w trakcie eksploatacji powierzchnie tarcz lub klocków hamulcowych ulegają zużyciu (robią się gładkie) należy je wymienić. Tarcie jest niezbędne w prawidłowym funkcjonowaniu sprzęgła w samochodzie, to dzięki tej sile możemy łagodnie ruszyć samochodem. Tarcie jest również podstawą działania przekładni pasowych. Paski klinowe będące głównym elementem tych urządzeń wykonane są z materiałów o porowatej powierzchni. Tarcie pozytywne możemy również zaobserwować przy lądowaniu odrzutowca na małym lotnisku wtedy to za odrzutowcem otwiera się spadochron zwiększając w ten sposób opór ruchu, czyli tarcie między poruszającym się ciałem, a powietrzem. Gdyby nie tarcie nie moglibyśmy nic utrzymać w ręce. Tarcie jest również wykorzystywane do obróbek rożnych materiałów np.: do szlifowania kamienni szlachetnych. Zapalniczka działa również przy wykorzystaniu tarcia. Tarcie jest również wykorzystane w budowie instrumentów smyczkowych w takim instrumencie pocieramy smyczkiem o struny i wydany zostaje dźwięk. Często tarcie jest zjawiskiem niepożądanym, ponieważ powoduje utraty energii na pokonanie oporów oraz niszczenie elementów urządzeń technicznych. Jedną z najskuteczniejszych metod zmniejszania tarcia jest zastąpienie tarcia ślizgowego tarciem tocznym. Przykłady tarcia tocznego to: łożyska kulkowe, toczenie się kół pociągu po szynach. Już starożytni walczyli z niepożytecznym tarciem: przy budowie piramid pod ogromne kloce podkładali owalne drzewa i toczyli je. Niepożyteczne tarcie zwalczamy również smarowaniem powierzchni trących smarami i olejami wówczas pomiędzy dwoma powierzchniami wytwarza się tak zwany film olejowy. Istotne są też właściwości stosowanych smarów. Smary powodują przedłużanie żywotności urządzeń mechanicznych. Kolejnym przykładem tarcia niekorzystnego, z którym człowiek stara się walczyć jest tarcie, które występuje pomiędzy poruszającymi się szybko różnego rodzaju mechanizmami, a powietrzem. W celu zmniejszenia powstałych oporów stosuje się aerodynamiczne i opływowe kształty, przykładem tego są specjalne konstrukcje maszyn latających zachowujących opływowe kształty. Jedną z przyczyn coraz większej prędkości samochodów jest ich coraz bardziej aerodynamiczny kształt. Znane są również przykłady zwalczania oporów, a więc tarcia w różnych dyscyplinach sportu. Obserwujemy czasami dziwacznie ubranych sportowców, kaski wyczynowych kolarzy swoim kształtem przypominają głowę ptaka w locie, również rowery, na których jeżdżą w niczym nie przypominają tych, na co dzień widywanych w sklepach, a wszystko to po to by osiągnąć jak najbardziej aerodynamiczną sylwetkę, co za tym idzie lepszy wynik. Materiały, z których są wykonane choćby ubrania łyżwiarzy wykorzystują tworzywa takie jak silikon i lycra, bo dzięki ich właściwością można zmniejszyć opory powietrza. Nauka jest dzisiaj tak rozwinięta, że człowiek umie wykorzystywać pozytywne tarcie i zwalczać negatywne.

Doświadczenia

To proste doświadczenie demonstruje szereg zagadnień związanych z siłami tarcia. Dzięki tym siłom mogłem przesunąć talerz po stole nie dotykając go. Siły tarcia mają jednak pewną wartość graniczną, która w drugiej części naszego doświadczenia okazała za mała i talerz pozostał na miejscu. Widać, że problem wart jest bardziej szczegółowego rozpatrzenia.

Przeanalizujmy najprostszy przypadek pokazany na Rys.3.2. Przykładamy siłę do przedmiotu o masie leżącego na nieruchomej powierzchni. Przedmiot naciska na powierzchnię silą . Siła jest siłą tarcia.

Siła tarcia.

Kiedy działamy na ciało siłą , pojawiająca się siła tarcia skierowana jest w przeciwną stronę i przeciwdziała ruchowi. W rezultacie ciało pozostaje w spoczynku. Siła tarcia ma jednak pewną wartość graniczną, zwaną siłą tarcia statycznego. Warunek pozostawania ciała w spoczynku możemy więc zapisać w postaci

Jeśli siła będzie większa od , ciało zacznie się poruszać ruchem jednostajnie przyspieszonym, ale przyspieszenie to będzie jednak mniejsze niż w przypadku działania tylko siły , bowiem siła tarcia, zwana siłą tarcia kinetycznego , będzie przeciwdziałać ruchowi. Zależności te możemy zapisać następująco:

Wartość siły tarcia jest proporcjonalna do siły nacisku działającej prostopadle do powierzchni i zależna jest także od własności trących się materiałów. Zapiszemy to w postaci

gdzie współczynnik proporcjonalności m, zwany jest współczynnikiem tarcia - statycznego lub kinetycznego, (w przypadku ruchu ciała).
Teraz możemy powrócić do naszego doświadczenia. Poruszenie talerza z miejsca - to nadanie mu pewnego przyspieszenia, które zgodnie z drugą zasadą dynamiki wymaga określonej siły. Im szybciej ciągnę, tym siła ta jest większa. Działam na talerz jednak nie bezpośrednio, ale za pośrednictwem siły tarcia. Kiedy więc siła z którą ciągnę przekracza wartość , talerz zaczyna przesuwać się względem ciągniętej serwety. W rezultacie serweta jest wysunięta, a talerz pozostaje na miejscu.
Współczynnik tarcia statycznego można łatwo ocenić za pomocą równi pochyłej.

Proponuję Ci wykonać następujące doświadczenie. Połóż badane ciało na powierzchni , która jest początkowo pozioma, a następnie zwiększaj jej kąt względem poziomu. Kąt nachylenia, przy którym ciało zacznie się zsuwać odpowiada wartości granicznej siły tarcia statycznego. Siła ta jest równa składowej siły ciężkości stycznej do powierzchni równi.

Wyznaczenie współczynnika tarcia statycznego

Możemy to zapisać następująco

Równocześnie, siła tarcia może być wyrażona z pomocą współczynnika tarcia (wzór (3.41)), co w naszym przypadku można zapisać w postaci

Z wzorów możesz łatwo wyznaczyć współczynnik tarcia.

Teraz wyznaczoną samodzielnie wartość dla określonych materiałów możesz porównać z wartościami tablicowymi. Przykładowe dane zawarte są w podanej bibliografii.
Na zakończenie tych rozważań warto zdać sobie sprawę jak ogromną rolę odgrywają siły tarcia w przyrodzie. To dzięki siłom tarcia poruszamy się i funkcjonuje komunikacja drogowa i kolejowa. Co się dzieje, kiedy siły te zmniejszają się zimą w czasie gołoledzi wiemy dobrze. Z drugiej strony, siły te są niepożądane na przykład w pracy silników i w tym celu stosuje się specjalne układy smarowania zmniejszające tarcie. Siły tarcia w sensie omówionym wyżej nie występują w czasie ruchu poduszkowców czy samolotów w locie. Występują wtedy jednak opory ośrodka w którym porusza się pojazd. Siły te nazywamy siłami tarcia wewnętrznego. O tym powiemy więcej przy omawianiu zagadnień dynamiki płynów.

Doświadczenia w załączniku