घर्षण बल एक भौतिक राशि है जो शरीर की किसी भी गति को रोकता है। यह, एक नियम के रूप में, तब होता है जब पिंड ठोस, तरल और गैसीय पदार्थों में गति करते हैं। विभिन्न प्रकार के घर्षण बल मानव जीवन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, क्योंकि वे शरीर की गति में अत्यधिक वृद्धि को रोकते हैं।
घर्षण बलों का वर्गीकरण
सामान्य स्थिति में, सभी प्रकार के घर्षण बलों का वर्णन तीन प्रकार से किया जाता है: फिसलने, लुढ़कने और आराम करने का घर्षण बल। पहला स्थिर है, अन्य दो गतिशील हैं। आराम के समय घर्षण शरीर को हिलने से रोकता है, बदले में, फिसलने पर, घर्षण तब होता है जब शरीर अपने आंदोलन के दौरान किसी अन्य शरीर की सतह के खिलाफ रगड़ता है। रोलिंग घर्षण तब होता है जब एक गोल वस्तु चलती है। आइए एक उदाहरण लेते हैं। डामर पर कार के पहियों की गति (रोलिंग घर्षण बल) प्रकार का एक उल्लेखनीय उदाहरण है।
घर्षण बलों की प्रकृति दो निकायों की रगड़ सतहों के बीच सूक्ष्म अपूर्णताओं का अस्तित्व है। इस कारण से, परिणामी बल कार्य कर रहा हैएक वस्तु चलती है या चलना शुरू करती है, इसमें समर्थन एन की सामान्य प्रतिक्रिया के बल का योग होता है, जो संपर्क निकायों की सतह पर लंबवत निर्देशित होता है, और घर्षण बल एफ। उत्तरार्द्ध को समानांतर निर्देशित किया जाता है संपर्क सतह और शरीर की गति के विपरीत है।
दो ठोसों के बीच घर्षण
विभिन्न प्रकार के घर्षण बलों के मुद्दे पर विचार करते समय, दो ठोस निकायों के लिए निम्नलिखित पैटर्न देखे गए:
- घर्षण बल को समर्थन सतह के समानांतर निर्देशित किया जाता है।
- घर्षण का गुणांक संपर्क सतहों की प्रकृति के साथ-साथ उनकी स्थिति पर भी निर्भर करता है।
- अधिकतम घर्षण बल सामान्य बल या समर्थन प्रतिक्रिया के सीधे अनुपात में होता है जो संपर्क सतहों के बीच कार्य करता है।
- उन्हीं पिंडों के लिए, शरीर के हिलने से पहले घर्षण बल अधिक होता है और जब शरीर हिलना शुरू करता है तो कम हो जाता है।
- घर्षण का गुणांक संपर्क क्षेत्र पर निर्भर नहीं करता है, और यह व्यावहारिक रूप से फिसलने की गति पर निर्भर नहीं करता है।
कानून
गति के नियमों पर प्रायोगिक सामग्री को सारांशित करते हुए, हमने घर्षण के संबंध में निम्नलिखित बुनियादी कानून स्थापित किए हैं:
- दो पिंडों के बीच फिसलने का प्रतिरोध उनके बीच कार्य करने वाले सामान्य बल के समानुपाती होता है।
- रबिंग निकायों के बीच आंदोलन का प्रतिरोध उनके बीच संपर्क क्षेत्र पर निर्भर नहीं करता है।
द्वितीय नियम को प्रदर्शित करने के लिए हम निम्नलिखित उदाहरण दे सकते हैं: यदि आप एक गुटके को लेकर उसे सतह पर खिसकाते हैं, तो ऐसी गति के लिए आवश्यक बलजब गुटका अपनी लंबी भुजा के साथ सतह पर होगा, और जब यह अपने सिरे के साथ खड़ा होगा, तो यह समान होगा।
भौतिकी में विभिन्न प्रकार के घर्षण बलों से संबंधित नियमों की खोज 15वीं शताब्दी के अंत में लियोनार्ड दा विंची ने की थी। फिर उन्हें लंबे समय तक भुला दिया गया, और केवल 1699 में फ्रांसीसी इंजीनियर अमोन्टन द्वारा उन्हें फिर से खोजा गया। तब से, घर्षण के नियम उनके नाम पर हैं।
विश्राम पर फिसलने से घर्षण बल अधिक क्यों होता है?
कई प्रकार के घर्षण बलों (आराम और फिसलने) पर विचार करते समय, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि स्थैतिक घर्षण बल हमेशा स्थिर घर्षण गुणांक और समर्थन की प्रतिक्रिया बल के उत्पाद से कम या बराबर होता है। घर्षण के गुणांक को इन रगड़ सामग्री के लिए प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया जाता है और उपयुक्त तालिकाओं में दर्ज किया जाता है।
गतिशील बल की गणना स्थिर बल के समान ही की जाती है। केवल इस मामले में, घर्षण के गुणांक का उपयोग विशेष रूप से फिसलने के लिए किया जाता है। घर्षण गुणांक को आमतौर पर ग्रीक अक्षर (mu) द्वारा दर्शाया जाता है। इस प्रकार, दोनों घर्षण बलों के लिए सामान्य सूत्र है: Ftr=ΜN, जहां N समर्थन प्रतिक्रिया बल है।
इस प्रकार के घर्षण बलों के बीच अंतर की प्रकृति को ठीक से स्थापित नहीं किया गया है। हालांकि, अधिकांश वैज्ञानिक मानते हैं कि स्थैतिक घर्षण बल फिसलने के लिए उससे अधिक होता है, क्योंकि जब शरीर कुछ समय के लिए एक-दूसरे के सापेक्ष आराम करते हैं, तो उनकी सतहों के बीच आयनिक बंधन या सतहों के अलग-अलग बिंदुओं के माइक्रोफ्यूज़न बन सकते हैं। ये कारक स्थैतिक में वृद्धि का कारण बनते हैंसंकेतक।
कई प्रकार के घर्षण बल और उनके प्रकटन का एक उदाहरण कार के इंजन के सिलेंडर में पिस्टन है, जो इंजन के लंबे समय तक नहीं चलने पर सिलेंडर को "सोल्डर" किया जाता है।
क्षैतिज फिसलने वाला शरीर
आइए किसी पिंड के लिए गति का समीकरण प्राप्त करें, जो बाहरी बल Fin की क्रिया के तहत सतह पर फिसलने से गति करना शुरू कर देता है। इस मामले में, निम्नलिखित बल शरीर पर कार्य करते हैं:
- Fv – बाहरी बल;
- Ftr - घर्षण बल जो बल Fv;
- N समर्थन की प्रतिक्रिया बल है, जो पिंड P के वजन के निरपेक्ष मान के बराबर है और सतह पर निर्देशित है, यानी इसके समकोण पर।
की दिशा में विपरीत है
सभी बलों की दिशाओं को ध्यान में रखते हुए, हम गति के इस मामले के लिए न्यूटन का दूसरा नियम लिखते हैं: Fv - Ftr=mए, जहां एम - शरीर द्रव्यमान, ए - गति का त्वरण। यह जानते हुए कि Ftr=ΜN, N=P=mg, जहाँ g मुक्त गिरावट त्वरण है, हम प्राप्त करते हैं: Fv –एमजी=एमए। जहां से, उस त्वरण को व्यक्त करते हुए जिसके साथ फिसलने वाला पिंड चलता है, हम प्राप्त करते हैं: a=F in / m –g.
एक द्रव में कठोर पिंड की गति
यह विचार करते समय कि किस प्रकार के घर्षण बल मौजूद हैं, किसी को भौतिकी में एक महत्वपूर्ण घटना का उल्लेख करना चाहिए, जो कि यह वर्णन है कि एक ठोस शरीर एक तरल में कैसे चलता है। इस मामले में, हम वायुगतिकीय घर्षण के बारे में बात कर रहे हैं, जो द्रव में शरीर की गति के आधार पर निर्धारित होता है। आंदोलन दो प्रकार के होते हैं:
- जबएक कठोर शरीर कम गति से चलता है, एक लामिना गति की बात करता है। लामिना गति में घर्षण बल वेग के समानुपाती होता है। एक उदाहरण गोलाकार पिंडों के लिए स्टोक्स का नियम है।
- जब किसी द्रव में किसी पिंड की गति एक निश्चित सीमा मान से अधिक गति से होती है, तो द्रव प्रवाह से उत्पन्न भंवर शरीर के चारों ओर दिखाई देने लगते हैं। ये भंवर एक अतिरिक्त बल बनाते हैं जो गति को बाधित करता है, और परिणामस्वरूप, घर्षण बल गति के वर्ग के समानुपाती होता है।
घूर्णन घर्षण बल की प्रकृति
जब घर्षण बल के प्रकारों के बारे में बात की जाती है, तो रोलिंग घर्षण बल को तीसरा प्रकार कहा जाता है। यह तब प्रकट होता है जब कोई शरीर एक निश्चित सतह पर लुढ़कता है और इस शरीर की विकृति होती है और सतह ही होती है। यानी, पूरी तरह से गैर-विकृत शरीर और सतह के मामले में, रोलिंग घर्षण के बल के बारे में बात करने का कोई मतलब नहीं है। आइए करीब से देखें।
रोलिंग घर्षण गुणांक की अवधारणा स्लाइडिंग के समान है। चूंकि लुढ़कने के दौरान पिंडों की सतहों के बीच कोई फिसलन नहीं होती है, इसलिए रोलिंग घर्षण का गुणांक फिसलने की तुलना में बहुत कम होता है।
गुणांक को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक रोलिंग घर्षण बल के प्रकार के लिए यांत्रिक ऊर्जा का हिस्टैरिसीस है। विशेष रूप से, पहिया, जिस सामग्री से इसे बनाया गया है, साथ ही साथ वहन किए जाने वाले भार के आधार पर, आंदोलन के दौरान लोचदार रूप से विकृत हो जाता है। लोचदार विरूपण के दोहराव चक्र यांत्रिक ऊर्जा के हिस्से को तापीय ऊर्जा में स्थानांतरित करने की ओर ले जाते हैं। इसके अलावा, के कारणक्षति, पहिया और सतह के संपर्क में पहले से ही कुछ सीमित संपर्क क्षेत्र है।
रोलिंग घर्षण बल सूत्र
यदि हम पहिया को घुमाने वाले बल के क्षण के लिए व्यंजक लागू करते हैं, तो हम प्राप्त कर सकते हैं कि रोलिंग घर्षण बल Ftr.k.=Μ है k N / R, यहाँ N समर्थन की प्रतिक्रिया है, R पहिया की त्रिज्या है, Μк – रोलिंग घर्षण गुणांक है। इस प्रकार, रोलिंग घर्षण बल त्रिज्या के व्युत्क्रमानुपाती होता है, जो छोटे पहियों पर बड़े पहियों के लाभ की व्याख्या करता है।
इस बल की पहिए की त्रिज्या के व्युत्क्रमानुपाती होने से पता चलता है कि अलग-अलग राडियों के दो पहियों के मामले में जिनका द्रव्यमान समान होता है और वे एक ही सामग्री से बने होते हैं, बड़े त्रिज्या वाला पहिया आसान होता है हिलना।
रोलिंग अनुपात
इस प्रकार के घर्षण बल के सूत्र के अनुसार, हम पाते हैं कि रोलिंग घर्षण का गुणांक Μk लंबाई का आयाम है। यह मुख्य रूप से संपर्क निकायों की प्रकृति पर निर्भर करता है। वह मान, जो रोलिंग घर्षण गुणांक के त्रिज्या के अनुपात से निर्धारित होता है, रोलिंग गुणांक कहलाता है, अर्थात Ck=Μk / R एक विमाहीन मात्रा है।
रोलिंग गुणांक Ck फिसलने वाले घर्षण के गुणांक से काफी कम है Μtr। इसलिए, इस प्रश्न का उत्तर देते समय कि किस प्रकार का घर्षण बल सबसे छोटा है, हम सुरक्षित रूप से रोलिंग घर्षण बल कह सकते हैं। इस तथ्य के लिए धन्यवाद, पहिया का आविष्कार तकनीकी प्रगति में एक महत्वपूर्ण कदम माना जाता है।मानवता।
रोलिंग अनुपात सिस्टम विशिष्ट है और निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करता है:
- पहिए और सतह की कठोरता (गति के दौरान होने वाले पिंडों की विकृति जितनी कम होगी, रोलिंग गुणांक उतना ही कम होगा);
- पहिया त्रिज्या;
- वजन जो पहिए पर काम करता है;
- संपर्क सतह क्षेत्र और उसका आकार;
- पहिया और सतह के बीच संपर्क के क्षेत्र में चिपचिपापन;
- शरीर का तापमान
