Teorija
Elementarni vidiki trenja
Koeficient trenja k med dvema trdninama je definiran kot F/N, pri čemer F opisuje samo silo trenja, ter N silo podlage oziroma obremenitev, ki je pravokotna na podlago.
[1]
Koeficient trenja k je neodvisen od velikosti stične podlage – kar pomeni da so za enako obremenitev N sile trenja enake za veliko klado kot za majhno. Kot posledica je k neodvisen od obremenitve oziroma ekvivalentno, sila trenja je linearno proporcionalna obremenitvi. Druga zanimiva opazka je, da je k pogosto obravnavan kot neodvisen od hitrosti, razen v primeru da je hitrost drsenja zelo nizka, kjer pa pomemben faktor postane termična aktivacija, oziroma ko je hitrost izjemno visoka. Kot zadnja opazka, v nasprotju z običajnim mišljenjem, za pogosto uporabljene podlage je k ponavadi vedno neodvisen od hrapavosti same podlage, razen seveda, ce so podlage zelo grobe ali pa zelo gladke. V obeh ekstremnih primerih so posledično sile trenja višje kot v obicajnih.[2]
Z našim eksperimentom smo izmerili koeficient trenja med gumo oziroma čevljem in betonom, pri tem pa še preverili (ne)odvisnost koeficienta od normalne sile. Naloga je od nas tudi zahtevala da pokažemo kako se koeficient trenja spreminja v primeru da podlago zmočimo, uporabili pa smo dva postopka.
Pri prvem poskusu pa smo se odločili da bomo za merjenje uporabili klanec, kjer smo upoštevali izrek o kinetični energiji:
Kjer ΔK predstavlja spremembo kinetične, ΔU pa spremembo potencialne energije. Enačbo razvijemo dalje da dobimo
Alternativno se da trenje dobiti z razstavljanjem sil na klancu, tu imamo pospešeno gibanje
[3]
Pri čemer upoštevamo drugi Newtonov zakon:
kar naprej razvijemo v
V drugem smo se odločiliza drsenje na ravni podlagi, kjer smo predmet vlekli z enakomerno silo upoštevajoč enačbo
Za merjenje sile pa smo uporabili elektronski silomer.
V obeh primerih poznamo razdaljo med začetnim in končnim položajem, prav tako naklonski kot θ, zato z uporabo svetlobnih vrat natančno izmerimo čas ki je potreben da predmet prepotuje znano razdaljo.
Koeficient trenja v odvisnosti mokrega in suhega
V suhem se koeficient trenja oziroma sila trenja obnaša kot je opisana v prejšnjem odstavku. Predvidevamo da med trdninama, na katerih izvajamo eksperiment ni tujkov ki bi vplivali na končne rezultate, razen v primeru ko podlago zmočimo.
Lubrikanti se uporabljajo da se zmanjša trenje, ter zmanjša obraba med dvema drsečima telesoma. Vemo da se kot maziva ponavadi uporabljajo olja ter masti, zato ker imajo višjo vizkoznost kot pa voda.
Visoka vizkoznost ima dva efekta:
I: Visoka vizkoznost predstavlja visoko disipacijo energije med strižnimi silami v tekočini,
to pripelje do visokih koeficientov trenja, kar se zdi paradoksalno.
II: Če pa skupaj potisnemo dva kosa materiala, med katerima je sloj tekočine, vemo da se bo tekočina iztisnila, vendar pa se bo čas ko se tekočina iztisne močno povečal če je vizkoznost višja. Če se telesi premikata relativno druga na drugo, ter če je hitrost premika dovolj visoka, bo za tekočino relativno premalo časa da pride do razlitja, površini teles pa bosta v danem času ostali razmaknjeni za debelino filma tekočine. To se imenuje hidrodinamično oziroma vlažno trenje, kjer je sila trenja zelo nizka, vendar če je hitrost med trdninama nizka, se bo tekočina razlila, kar pa po pripeljalo do direktnega stika med telesi, kar pa po povečalo trenje. To je območje robne lubrikacije. Tu je ponavadi trenje večje za faktor 100, tu pa trenje postane neodvisno od hitrosti. Kot posledica pojava I se sila trenja povečuje z naraščajočo hitrostjo ter vizkoznostjo – maziva so zato optimizirana za uporabo pri točno določenih hitrostih.[4]
Primer tega je seveda akvaplaning, ki se pojavi med mokrim asfaltom in gumo, pri dovolj visokih hitrostih.(knjiga) Kot primer voda ima pri 20°C vizkoznost ~ 1 mPa s, motorno olje pa ~ 250 mPa s.
[5]
V primeru ko je hitrost med predmetoma dovolj nizka, se vzpostavi tako imenovano nestabilno drseče gibanje – tlak v vmesni tekočini je nižji od zunanjega tlaka, kot rezultat se površini zalepita skupaj kar pa privede do povečanja koeficient trenja.[6]
Viri
https://en.wikipedia.org/wiki/Friction#/media/File:Free_body.svg [1]
https://sh.wikipedia.org/wiki/Trenje#/media/File:Trenje.PNG[3]
https://en.wikipedia.org/wiki/Aquaplaning#/media/File:Hydroplaning.svg [5]
