II.8. Forța de frecare.

Forța de frecare (F_f) este forța care apare la suprafața de contact dintre două corpuri care se mișcă unul față de altul și se opune mișcării unui corp față de celălalt.

🔦 Observații

1. Forța de frecare apare din cauza asperităților suprafețelor aflate în contact. Ea depinde de natura suprafețelor aflate în contact și este cu atât mai mare cu cât apăsarea exercitată de corp pe suprafață este mai mare.

Are direcția suprafeței de contact dintre cele două corpuri și sensul opus vitezei corpului.

2. Forța de frecare apare și la contactul dintre corpuri în repaus unul fața de altul, fiind numită frecare statică.

3. Când un corp se deplasează pe o suprafață cu viteză constantă (mișcare rectilinie și uniformă), forța de tracțiune F (care deplasează corpul) este egală, dar de sens opus cu forța de frecare F_f.

Importanța forței de frecare

1. Mersul, pornirea și oprirea corpurilor pe diferite suprafețe

2. Scrisul

3. Ținerea obiectelor în mână

4. Legarea șireturilor și realizarea nodurilor

5. Întorsul paginilor unei cărți

6. Aprinderea chibritului

7. Cusutul

8. Ajută parașutistul să aterizeze ușor datorită forței de frecare cu aerul atmosferic (forța de rezistență a aerului)

9. Frecarea dintre plăcuţele de frână şi roată face ca roata să nu se mai învârtă

10. Șoselele şi cauciucurile automobilelor au suprafețe rugoase pentru ca mașinile să nu derapeze. Când pe şosea este gheaţă sau polei, roţile trebuie prevăzute cu lanțuri pentru a creşte cât mai mult frecarea dintre roți şi șosea.

11. Fixarea șuruburilor în piulițe, a cuielor în lemn sau perete etc.

👀 Experiment: Forța de frecare și felul suprafeței de alunecare

Materiale necesare:
Cutiuță de carton (de la chibrituri), fir, pahar de plastic, mochetă, monede.

Descrierea experimentului:

• Prinde un fir mai lung de cutiuță și leagă capătul celălalt al firului de tortița unui pahar de plastic. Adaugă câteva monede în cutie.
• Așază cutiuța la marginea mesei și adaugă monede în pahar până când începe mișcarea uniformă a cutiei.
• Numără monedele din pahar și calculează masa lor și apoi greutatea lor.
• Așază pe blatul mesei o mochetuță și pune acum cutia la capătul mesei.
• Adaugă monede în pahar până când începe mișcarea uniformă a cutiei pe mochetă.
• Numără monedele din pahar.

  Numărul monedelor este mai mare când cutia alunecă pe mochetă.

Concluzia experimentului:
Pentru suprafețe netede (de exemplu: gresie, pal melaminat, sticlă, gheață, parchet, linoleum) forța de frecare care apare la alunecarea unui corp este mică.
Pentru suprafețe aspre / grunjoase (de exemplu: covor, mochetă, nisip, pietriș) forța de frecare care apare la alunecarea unui corp este mare.

Dependența forței de frecare de gradul de șlefuire al suprafeței pe care alunecă un corp este dată de o constantă de material, numită coeficient de frecare le alunecare, notat cu litera grecească "miu" = μ.

👀 Experiment: Forța de frecare și apăsarea normală

Materiale necesare:
Cutiuță de carton (de la chibrituri), fir, pahar de plastic, monede.

Descrierea experimentului:

• Prinde un fir mai lung de cutiuță și leagă capătul celălalt al firului de tortița unui pahar de plastic. Adaugă câteva monede în cutie (eu am pus 4 monede de 50 de bani, fiecare având masa de 6,1 g) și calculează-le masa și greutatea.
• Așază cutiuța la marginea mesei și adaugă monede în pahar până când începe mișcarea uniformă a cutiei (eu am pus 2 monede de 10 bani, fiecare având masa de 4 g).
• Numără monedele din pahar și calculează masa lor și apoi greutatea lor.
• Repetă experimentul mărind numărul de monede din cutiuță. Cum este numărul de monede din pahar față de cel anterior ?

  Forța de frecare (dată de greutatea monedelor din pahar), crește odată cu greutatea monedelor din cutie (dată de greutatea monedelor din cutie).

Concluzia experimentului:
Forța de frecare care apare la alunecarea unui corp este direct proporțională cu forța de apăsare normală a corpului. Constanta de proporționalitate este coeficientul de frecare la alunecare, μ.

👀 Experiment: Depinde forța de frecare de aria suprafeței de contact?

Materiale necesare:
2 cutiuțe de carton (de la chibrituri) diferite ca mărime, fir, pahar de plastic, monede

Descrierea experimentului:

• Prinde un fir mai lung de cutiuța mai mare și leagă capătul celălalt al firului de tortița unui pahar de plastic. Adaugă câteva monede în cutie (eu am pus 12 monede de 50 de bani).
• Așază cutiuța la marginea mesei și adaugă monede în pahar până când începe mișcarea uniformă a cutiei.
• Numără monedele din pahar (eu am pus 9 monede de 10 bani).
• Repetă experimentul cu o cutiuță mai mică în care să pui aceleași monede ca și în cea mare.
• Numără monedele din pahar (eu am pus tot 9 monede de 10 bani).

  Forța de frecare nu depinde de suprafața de contact a cutiei cu masa.

Concluzia experimentului:
Forța de frecare, care apare la alunecarea unui corp nu depinde de aria suprafeței de contact a corpului cu suprafața de alunecare.

Legea frecării:

Modulul forței de frecare la alunecare este direct proporțional cu modulul forței de apăsare normală (N) pe suprafața de contact și are expresia matematică:

μ (litera grecească miu) este coeficientul de frecare la alunecare. Acest coeficient este o constantă adimensională, care exprimă dependența forței de frecare la alunecare de felul în care sunt prelucrate (șlefuite) suprafețele de contact ale corpurilor ce alunecă unul peste celălalt.

N este forța de apăsare normală.

👀 Experiment: Rezistenţa aerului

Materiale necesare:
Două coli de hârtie identice.

Descrierea experimentului:

• Una dintre cele două coli strânge-o ghemotoc.
• Ridică braţele în faţă la aceeaşi înălţime ținând într-o mână coala făcută ghemotoc şi în cealaltă coala întinsă.
• Dă drumul celor două coli şi urmărește căderea lor.

  Ghemotocul de hârtie ajunge mai repede la sol, căzând pe verticală. Coală întinsă plutește şi are o direcţie de cădere dezordonată.

Concluzia experimentului:
Cu cât suprafața corpului este mai mare, cu atât el are o viteză de cădere mai mică.

🔦 Observație

În absenţa aerului (vid), toate corpurile ar cădea în linie dreaptă pe verticală şi cu aceeaşi viteză, indiferent de forma şi mărimea lor. Cum însă căderea lor are loc în aer, obiectele cu forme şi mărimi diferite au durate diferite de cădere datorită faptului că aerul opune o rezistenţă mai mare sau mai mică. Cu cât e mai mare suprafața corpului, cu atât rezistenţa aerului (frecarea dintre corp şi aerul din jurul său) este mai mare şi corpul cade mai încet şi mai neregulat. Aşa ne explicăm căderea lentă a unei parașute: aerul de sub cupola mare a parașutei o frânează, încetinindu-i căderea.

În spațiul cosmic nu există aer şi prin urmare nici frecare care să încetinească mișcarea. Navele spaţiale îşi folosesc numai din când în când motoarele pentru a schimba direcția.

Când meteoriții pătrund în atmosfera Terrei cu o viteză foarte mare, ei capătă o culoare roşie datorită frecării mari dintre ei şi aer și se aprind, semănând cu niște stele căzătoare.

👀 Experiment: Forța de frecare la rostogolire

Materiale necesare:
Cărucior cu roți care pot fi blocate (cutie de chibrituri pusă pe mai multe creioane colorate), fir prins de tortițele unui pahar de plastic.

Descrierea experimentului:

• Prinde firul cu paharul de cărucior.
• Așază căruciorul cu roți la capătul mesei și blochează-i roata.
• Adaugă monede în pahar până când căruciorul se mișcă uniform. Numără monedele (eu am pus 3 monede de 10 bani).
• Așază căruciorul cu roți (blocate) la capătul mesei.
• Adaugă monede în pahar până când căruciorul se mișcă uniform. Numără monedele (eu am pus 2 monede de 10 bani și una de 1 ban).

  Numărul monedelor când roțile nu sunt blocate este mai mic decât atunci când îi blocăm roata.

Concluzia experimentului:
Forța de frecare la rostogolire este mai mică decât forța de frecare la alunecare.

În cazul mecanismelor care conțin piese în mișcare una faţă de alta, frecarea dintre acestea determină încălzirea pieselor şi, în timp, uzarea lor. Pentru a micșora această frecare nedorită, se folosesc două metode:

• Ungerea pieselor în mișcare ale unei mașini cu lubrifianți (ulei de mecanisme, vaselină).
• Folosirea rulmenților formați din bile care se rostogolesc unele peste altele, deoarece forța de frecare la rostogolire este mai mică decât forța de frecare la alunecare, aceștia reduc considerabil frecarea.

Exemple:

• Roţile automobilelor, ale bicicletelor, motocicletelor etc. sunt montate pe rulmenți.

• Lagărele ce conțin rulmenți sunt utilizate şi la motoarele electrice, la strunguri, la axele vagoanelor, la axul pe care se fixează elicea avioanelor etc., adică oriunde trebuie să fie micșorată forța de frecare.