Friksjon

Frå Wikipedia – det frie oppslagsverket
Gå til: navigering, søk

Friksjon er krafta som motsett seg den relative rørsla eller tendensen til ei slik rørsle mellom to flater som er i kontakt med kvarandre. Ho er òg kontakten mellom to lekamar som skapar statisk elektrisitet. Ho er derimot ikkje ei fundamentalkraft, sidan ho kjem av elektromagnetiske krefter og utvekslingskrafta mellom atom. I situasjonar der to flater som har kontakt flyttar seg relativt til kvarandre, vil friksjonen mellom dei omforme kinetisk energi til kjensleg energi, eller varme. Friksjon mellom faste lekamar og væsker eller gassar vert kalla væskefriksjon. Sjå òg aerodynamikk og hydrodynamikk.

Likningar[endre | endre wikiteksten]

Den klassiske tilnærminga til friksjonskrafta kjend som Coulombfriksjon (etter Charles-Augustin de Coulomb) vert skrive som:

F_f = \mu N \,,

der

\mu er friksjonskoeffisienten,
N er normalkrafta til kontaktflata
F_f er den maksimale krafta ein kan få ved friksjon.

Denne krafta virkar alltid i motsett retning i forhold til rørsleretninga.

Denne enkle (men ikkje fullstendige) representasjonen av friksjon er ofte tilstrekkeleg for å analysere mange fysiske system.

Friksjonskoeffisient[endre | endre wikiteksten]

Sjå òg artikkel om Friksjonskoeffisient

Friksjonskoeffisienten er ein dimensjonslaus skalarverdi som skildrar forholdet til friksjonskreftene mellom to lekamar, og krafta som pressar dei saman. Friksjonskoeffisienten er avhengig av stoffet eller materialet dei to flatene er laga av. T.d. har ismetall låg friksjonskoeffisient (dei glir lett på kvarandre), medan gummi på eit fortau har høg friksjonskoeffisient (dei glir ikkje lett over kvarandre). For å få grep bør ikkje friksjonskoeffisienten vere under 1 - under gode forhold kan eit hjul på betong har ein friksjonskoeffisient på 1,7. Magnetiske krefter kan gje svært høge friksjonskoeffisientar, og teoretisk sett kan flater som er limt eller sveist saman ha uendelege friksjonskoeffisientar.

Glidefriksjon (kinetisk friskjon) og statisk friksjon er to forskjellige konsept. For glidefriksjon varierer ikkje friksjonskrafta med kontaktarealet mellom dei to lekamane. Dette tyder at glidefriksjon ikkje er avhengig av storleiken på kontaktarealet.

Når flatene er limt saman vert Coulombfriksjon ei svært dårleg tilnærming (t.d. vil limband motsette seg gliding, sjølv når ein ikkje har ei normalkrafta eller negativ normalkraft). I dette tilfellet kan friksjonskrafta vere avhengig av kontaktarealet.

Friksjonskrafta har alltid retning slik at ho motsett seg rørsle (for kinetisk friksjon) eller potensiell rørsle (for statisk friksjon) mellom dei to flatene. Ein curlingstein glir langs isen der ei statisk kraft vil sakke ned farten. For ei potensiell rørsle vil t.d. drivhjulet på ein akselererande bil ha ei friksjonskraft som peikar framover. Viss den ikkje gjorde det ville hjula ha spunne, og gummien ville glidd bakover på overflata. Merk at det ikkje er rørsleretninga til køyretøyet dei verkar mot, det er retninga til den (potensielle) glidinga mellom hjulet og vegen.

Friksjonskoeffisienten er eit empirisk mål, altså må han målast ved hjelp av eksperiment og kan ikkje reknast ut. Grove flater har som regel høgare verdiar. Flater av tørre stoff har som regel ein friksjonskoeffisient mellom 0,3 og 0,6. Teflon kan ha koeffisientar så låg som 0,04. Ein verdi på 0,0 betyr at det ikkje er noko friksjon i det heile tatt. Dette er berre ein teoretisk verdi sidan sjølv magnetiske svevetog har luftmotstand. Gummi i kontakt med andre flater har friksjonskoeffisientar mellom 1,0 og 2,0.

Om ein multipliserar friksjonskoeffisienten med reaksjonskrafta som virkar på ein lekam på kontaktflata, vil dette gje den maksimale friksjonskrafta som virkar på lekamen. Men så lenge krafta som dreg på lekamen er mindre enn denne maksimale friksjonskrafta, så vil friksjonskrafta vere lik krafta som virkar på lekamen. Ein må altså bruke ei kraft som er større enn den maksimale friksjonskrafta for å få lekamen i rørsle.

Friksjonstypar[endre | endre wikiteksten]

Friksjonskraft i mekanikk er krafta som virkar i motsett retning til rørsla ein lekam flyttar seg i.

Ein har tre typar friksjonskrefter.

  1. Statisk friksjon er friksjonen som virkar på ein lekam når det virkar ei kraft på lekamen, men lekamen ikkje er i rørsle. Den statiske friksjonen er alltid like stor som krafta som virkar på lekamen, men motsett retta.
  2. Grensefriksjon er friksjonen på ein lekam like før han kjem i rørsle. Generelt er grensefriksjonen den største friksjonen.
  3. Kinetisk friksjon er friksjonen som virkar på ein lekam som er i rørsle, og denne er vanlegvis mindre enn grensefriksjonen.

Den kinetiske friksjonskrafta mellom to faste flater er gjeve ved:

\ F=\mu R

der R er den normale reaksjonskrafta som virkar mellom grenseflata og lekamen, og \ \mu er den kinetiske friksjonskoeffisienten. Verdien av koeffisienten er avhengig av kva stoff lekamane har.

Grensefriksjonen er gjeve ved:

\ F=\mu_{max} R

der \ \mu_{max} er grensefriksjonskoeffisienten.

For ei væske er friksjonskrafta direkte proporsjonal til snøggleiken til lekamen.

Statisk friksjon[endre | endre wikiteksten]

Statisk friksjon oppstår når to lekamar ikkje flyttar seg relativt til kvarandre (som ei bok på eit bord). Den statiske friksjonskoeffisienten vert vanlegvis skrive μs. Krafta som skal til for å setje ein lekam i rørsle er ofte styrt av den statiske friksjonen. Den statiske friksjonen er i dei fleste tilfelle større enn den kinetiske friksjonen. Rullefriksjon har ein når ein lekam «ruller» over ein annan (som eit bilhjul på bakken). Denne vert klassifisert som statisk friksjon fordi delen av hjulet som er i kontakt med bakken, så lenge hjulet spinn, er stasjonært i forhold til bakken. Rullefriksjonskoeffisienten vert vanlegvis skrive μr.

Grensefriksjon er den maksimale verdien av statisk friksjon, eller friksjonskrafta som virkar på ein lekam i det lekamen er i ferd med å setjast i rørsle.

Kinetisk friksjon[endre | endre wikiteksten]

Kinetisk (eller dynamisk) friksjon oppstår når to lekamar i kontakt er i rørsle relativt til kvarandre (som ein slede på bakken). Den kinetiske friksjonskoeffisienten vert vanlegvis skrive μk, og er vanlegvis mindre den statiske friksjonskoeffisienten. Denne skilnanden er ikkje viktig sett frå eit matematisk synspunkt.

Sidan friksjon virkar mot rørsleretninga, vert den kinetiske friksjonen rekna som eit negativt arbeid, og bremsar vanlegvis noko ned. Det finst derimot unntak, som når overflata i seg sjølv akselererer. Ein kan sjå dette ved å plassere noko på ein duk, og så rykke hardt til i duken. I dette tilfellet vil lekamen gli bakover relativt til duken, men framover relativt til golvet. Altså vil den kinetiske friksjonen mellom lekamen og duken akslerere lekamen i same retninga som lekamen flyttar seg i, og gjere eit positivt arbeid.

Døme på kinetisk friksjon:

  • Glidefriksjon er når to lekamar glir oppå kvarandre. Ei bok som vert flytta rundt på eit bord er eit døme på glidefriksjon.
  • Væskefriksjon er friksjonen mellom ein fast lekam som flyttar seg gjennom ei væske eller ein gass. Luftmotstanden på eit fly eller vatnet rundt ein båt er to døme på væskefriksjon.

Redusere friksjon[endre | endre wikiteksten]

Innretningar[endre | endre wikiteksten]

Innretningar som hjul og kulelager kan omforme glidefriksjonen til den mykje svakare rullefriksjonen.

Teknikkar[endre | endre wikiteksten]

Ein teknikk som vert brukt innan jarnbaneindustrien er å lage slark i koplinga mellom vognene. Dette fører til at når eit tog går framover vil det ikkje dra i gang alle vognene samtidig, men ei og ei vogn om gongen, og dermed må det berre overvinne den statiske friksjonen til ei vogn om gongen.

Generelt når ein flyttar ein lekam over ein avstand er det best å gjere rørsla i ein eingong for å minimere arbeidet som vert gjort av den statiske friksjonen. For å minimere den kinetiske friksjonen er det best å flytte lekamen med den lågaste farten som er praktisk mogeleg. Dette vil òg minke friksjonsstresset.

Smøremiddel[endre | endre wikiteksten]

Ein vanleg metode å redusere friksjonen på er å bruke smørjemiddel, som olje eller vatn. Denne vert plassert mellom dei to flatene, og ofte fører dette til ein kraftig reduksjon av friksjonskoeffisienten. Vitskapen om friksjon og smørjemiddel vert kalla triobologi.

Supersmøremiddel, ein effekt som nyleg er oppdaga, er observert i grafitt. Den gjev ein særs kraftig reduksjon av friksjonen mellom to glidande lekamar, og han nærmar seg nullnivået.

Friksjonsenergi[endre | endre wikiteksten]

I følgje lova for energibevaring vert ikkje energien øydelagt på grunn av friksjon, men energien kan forsvinne frå systemet ein studerer. Energi vert omforma frå andre former til varme. Ein lekam som glir på is stoppar til slutt på grunn av at den kinetiske energien vert omforma til varme. Sidan varmen raskt forsvinn, så trudde mange tidlege filosofar, inkludert Aristoteles, at lekamar i rørsle førte med seg tap av energi.

Når ein lekam flyttar seg langs ei flate er energien omforma til varme gjeve ved:

E = \mu_k  \int N(x) dx\,
der
N er normalkrafta,
μk er den kinetiske friksjonskoeffisinten,
x er avstanden lekamen flyttar seg over.

Fysisk deformasjon er ofte assosiert med friksjon. Dette kan av og til vere nyttig, som med polering, men er ofte eit problem, fordi stoffet vert slitt ned.

Arbeidet som vert gjort av friksjon kan omformast til deformasjon og varme, som etter kvart kan endre eigenskapane til overflata og sjølve friksjonskoeffisienten. Friksjon kan i enkelte tilfelle føre til at faste stoff smeltar.

Sjå òg[endre | endre wikiteksten]

Kjelder[endre | endre wikiteksten]

  • Tipler, Paul - Physics for Scientists and Engineers: Vol. 1, 4th ed. - W. H. Freeman (1998) ISBN 1-57259-492-6

Bakgrunnsstoff[endre | endre wikiteksten]