3. Rola sił tarcia

Domowe Laboratorium Fizyczne
	Prezentujemy kelnerską sztuczkę wyciągania obrusa spod półmisków pełnych potraw w restauracji. Pokazujemy ją tu w prostej wersji z talerzem, na którym położone są owoce. Serwetę spod talerza wyciągać będziemy za pierwszym razem powoli, a następnie - szybko.
Odpowiedz - dlaczego za pierwszym razem talerz przesuwa się razem z serwetą (i spada), a za drugim - pozostaje na miejscu? (Dla zmniejszenia skutków trzeciej zasady dynamiki przy zderzeniu talerza z podłogą i zmniejszenia wartości opóźnienia (przykład z młotkiem) - podłożyłem nas podłodze coś miękkiego.)

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.  Rys.3.2. 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  (3.39) 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: (3.40) 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 (3.41) 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. Rys. 3.3. Wyznaczenie współczynnika tarcia statycznego Możemy to zapisać następująco (3.42) Równocześnie, siła tarcia może być wyrażona z pomocą współczynnika tarcia (wzór (3.41)), co w naszym przypadku można zapisać w postaci (3.43) Z wzorów (3.42) i (3.43) możesz  łatwo wyznaczyć współczynnik tarcia. (3.44)

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.