घर्षण एक भौतिक घटना है जिससे एक व्यक्ति तंत्र के किसी भी घूर्णन और फिसलने वाले हिस्सों में इसे कम करने के लिए संघर्ष करता है, हालांकि, इनमें से किसी भी तंत्र की गति असंभव है। इस लेख में, हम भौतिकी के दृष्टिकोण से विचार करेंगे कि रोलिंग घर्षण बल क्या है।
प्रकृति में किस प्रकार के घर्षण बल मौजूद हैं?
सबसे पहले, विचार करें कि अन्य घर्षण बलों के बीच रोलिंग घर्षण किस स्थान पर है। ये बल दो अलग-अलग निकायों के संपर्क के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं। यह ठोस, तरल या गैसीय पिंड हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, क्षोभमंडल में एक विमान की उड़ान उसके शरीर और वायु अणुओं के बीच घर्षण की उपस्थिति के साथ होती है।
विशेष रूप से ठोस निकायों को ध्यान में रखते हुए, हम आराम, फिसलने और लुढ़कने के घर्षण बलों को अलग करते हैं। हम में से प्रत्येक ने देखा: फर्श पर एक बॉक्स को हिलाने के लिए, फर्श की सतह पर कुछ बल लगाना आवश्यक है। बक्सों को विरामावस्था से बाहर लाने वाले बल का मान शेष घर्षण बल के निरपेक्ष मान के बराबर होगा। उत्तरार्द्ध बॉक्स के नीचे और फर्श की सतह के बीच कार्य करता है।
कैसेएक बार जब बॉक्स ने अपना आंदोलन शुरू कर दिया, तो इस आंदोलन को एक समान रखने के लिए एक निरंतर बल लगाया जाना चाहिए। यह तथ्य इस तथ्य से जुड़ा है कि फर्श और बॉक्स के संपर्क के बीच, फिसलने वाला घर्षण बल बाद वाले पर कार्य करता है। एक नियम के रूप में, यह स्थैतिक घर्षण से कई प्रतिशत कम है।
यदि आप बॉक्स के नीचे कठोर सामग्री के गोल सिलेंडर रख दें, तो इसे स्थानांतरित करना बहुत आसान हो जाएगा। रोलिंग घर्षण बल बॉक्स के नीचे गति की प्रक्रिया में घूमते हुए सिलेंडरों पर कार्य करेगा। यह आमतौर पर पिछली दो ताकतों की तुलना में बहुत छोटा होता है। यही कारण है कि मानव जाति द्वारा पहिया का आविष्कार प्रगति की ओर एक बड़ी छलांग थी, क्योंकि लोग थोड़े से बल के साथ बहुत बड़े भार को स्थानांतरित करने में सक्षम थे।
रोलिंग घर्षण की भौतिक प्रकृति
रोलिंग घर्षण क्यों होता है? यह प्रश्न आसान नहीं है। इसका उत्तर देने के लिए, किसी को विस्तार से विचार करना चाहिए कि रोलिंग प्रक्रिया के दौरान पहिया और सतह का क्या होता है। सबसे पहले, वे पूरी तरह से चिकनी नहीं हैं - न तो पहिया की सतह, न ही वह सतह जिस पर वह लुढ़कता है। हालांकि, यह घर्षण का मुख्य कारण नहीं है। मुख्य कारण एक या दोनों निकायों की विकृति है।
कोई भी पिंड, चाहे वे किसी भी ठोस पदार्थ से बने हों, विकृत हो जाते हैं। शरीर का वजन जितना अधिक होता है, वह सतह पर उतना ही अधिक दबाव डालता है, जिसका अर्थ है कि वह संपर्क के बिंदु पर खुद को विकृत करता है और सतह को विकृत करता है। कुछ मामलों में यह विकृति इतनी छोटी होती है कि यह लोचदार सीमा से अधिक नहीं होती है।
बीपहिया के लुढ़कने के दौरान, विकृत क्षेत्र सतह के संपर्क की समाप्ति के बाद अपने मूल आकार को बहाल करते हैं। फिर भी, इन विकृतियों को चक्र की एक नई क्रांति के साथ चक्रीय रूप से दोहराया जाता है। कोई भी चक्रीय विकृति, भले ही वह लोचदार सीमा में हो, हिस्टैरिसीस के साथ होती है। दूसरे शब्दों में, सूक्ष्म स्तर पर, विरूपण से पहले और बाद में शरीर का आकार भिन्न होता है। पहिया के लुढ़कने के दौरान विरूपण चक्रों का हिस्टैरिसीस ऊर्जा के "फैलाव" की ओर जाता है, जो एक रोलिंग घर्षण बल के रूप में व्यवहार में प्रकट होता है।
परफेक्ट बॉडी रोलिंग
आदर्श शरीर के तहत इस मामले में हमारा मतलब है कि यह गैर-विकृत है। एक आदर्श पहिए के मामले में, सतह के साथ इसका संपर्क क्षेत्र शून्य होता है (यह रेखा के साथ सतह को छूता है)।
आइए उन बलों की विशेषता बताएं जो एक गैर-विकृत पहिया पर कार्य करते हैं। सबसे पहले, ये दो लंबवत बल हैं: शरीर का वजन पी और समर्थन प्रतिक्रिया बल एन। दोनों बल द्रव्यमान (पहिया अक्ष) के केंद्र से गुजरते हैं, इसलिए वे टोक़ के निर्माण में भाग नहीं लेते हैं। उनके लिए आप लिख सकते हैं:
पी=एन
दूसरा, ये दो क्षैतिज बल हैं: एक बाहरी बल F जो पहिया को आगे धकेलता है (यह द्रव्यमान के केंद्र से होकर गुजरता है), और एक रोलिंग घर्षण बल fr। उत्तरार्द्ध एक टोक़ एम बनाता है। उनके लिए, आप निम्नलिखित समानताएं लिख सकते हैं:
एम=एफआरआर;
एफ=एफआर
यहाँ r पहिए की त्रिज्या है। इन समानताओं में एक बहुत ही महत्वपूर्ण निष्कर्ष है। यदि घर्षण बल fr अपरिमित रूप से छोटा है, तो यहअभी भी एक टोक़ पैदा करेगा जिससे पहिया हिल जाएगा। चूंकि बाहरी बल F, fr के बराबर है, तो F का कोई भी छोटा मान पहिया को लुढ़कने का कारण बनेगा। इसका मतलब यह है कि यदि रोलिंग बॉडी आदर्श है और आंदोलन के दौरान विरूपण का अनुभव नहीं करता है, तो किसी भी रोलिंग घर्षण बल के बारे में बात करने की आवश्यकता नहीं है।
सभी मौजूदा शरीर वास्तविक हैं, अर्थात वे विकृति का अनुभव करते हैं।
असली बॉडी रोलिंग
अब ऊपर वर्णित स्थिति पर केवल वास्तविक (विकृत) निकायों के मामले पर विचार करें। पहिए और सतह के बीच संपर्क का क्षेत्र अब शून्य नहीं होगा, इसका कुछ परिमित मान होगा।
आइए बलों का विश्लेषण करें। आइए ऊर्ध्वाधर बलों की कार्रवाई से शुरू करें, यानी समर्थन का वजन और प्रतिक्रिया। वे अभी भी एक दूसरे के बराबर हैं, अर्थात:
एन=पी
हालाँकि, बल N अब पहिया धुरा के माध्यम से लंबवत ऊपर की ओर कार्य करता है, लेकिन इससे थोड़ी दूरी d से स्थानांतरित हो जाता है। यदि हम एक आयत के क्षेत्रफल के रूप में सतह के साथ पहिए के संपर्क के क्षेत्र की कल्पना करें, तो इस आयत की लंबाई पहिए की मोटाई होगी, और चौड़ाई 2d के बराबर होगी।
अब क्षैतिज बलों के विचार पर चलते हैं। बाहरी बल F अभी भी एक टोक़ नहीं बनाता है और घर्षण बल के बराबर है fr निरपेक्ष मान में, अर्थात:
एफ=एफआर।
घूर्णन की ओर ले जाने वाले बलों का आघूर्ण घर्षण fr और समर्थन N की प्रतिक्रिया पैदा करेगा। इसके अलावा, इन क्षणों को अलग-अलग दिशाओं में निर्देशित किया जाएगा। संगत व्यंजक हैटाइप करें:
एम=एनडी - एफआरआर
समान गति की स्थिति में, क्षण M शून्य के बराबर होगा, इसलिए हमें प्राप्त होता है:
Nd - frr=0=>
चआर=डी/आरएन
अंतिम समानता, ऊपर लिखे गए सूत्रों को ध्यान में रखते हुए, निम्नानुसार फिर से लिखी जा सकती है:
एफ=डी/आरपी
वास्तव में, हमें रोलिंग घर्षण बल को समझने का मुख्य सूत्र मिला है। आगे लेख में हम इसका विश्लेषण करेंगे।
रोलिंग प्रतिरोध गुणांक
यह गुणांक पहले ही ऊपर पेश किया जा चुका है। एक ज्यामितीय व्याख्या भी दी गई थी। हम d के मान के बारे में बात कर रहे हैं। जाहिर है, यह मान जितना बड़ा होता है, उतना ही अधिक पल समर्थन की प्रतिक्रिया बल बनाता है, जो पहिया की गति को रोकता है।
रोलिंग प्रतिरोध गुणांक d, स्थिर और फिसलने वाले घर्षण के गुणांक के विपरीत, एक आयामी मान है। इसे लंबाई की इकाइयों में मापा जाता है। तालिकाओं में, यह आमतौर पर मिलीमीटर में दिया जाता है। उदाहरण के लिए, स्टील की पटरियों पर लुढ़कने वाले ट्रेन के पहियों के लिए, d=0.5 मिमी। d का मान दो सामग्रियों की कठोरता, पहिये पर भार, तापमान और कुछ अन्य कारकों पर निर्भर करता है।
रोलिंग घर्षण गुणांक
इसे पिछले गुणांक d के साथ भ्रमित न करें। रोलिंग घर्षण गुणांक को प्रतीक Cr द्वारा दर्शाया जाता है और इसकी गणना निम्न सूत्र का उपयोग करके की जाती है:
सीआर=डी/आर
इस समानता का अर्थ है कि Cr आयामहीन है। यह वह है जिसे कई प्रकार की तालिकाओं में दिया जाता है जिसमें माना जाता है कि घर्षण के प्रकार के बारे में जानकारी है। यह गुणांक व्यावहारिक गणना के लिए उपयोग करने के लिए सुविधाजनक है,क्योंकि इसमें पहिए की त्रिज्या जानना शामिल नहीं है।
ज्यादातर मामलों में Cr का मान घर्षण और आराम के गुणांक से कम होता है। उदाहरण के लिए, डामर पर चलने वाले कार के टायरों के लिए, Cr का मान कुछ सौवें (0.01 - 0.06) के भीतर होता है। हालांकि, घास और रेत (≈0.4) पर फ्लैट टायर चलाने पर यह काफी बढ़ जाता है।
बल के लिए परिणामी सूत्र का विश्लेषण fr
रोलिंग घर्षण बल के लिए उपरोक्त सूत्र को फिर से लिखें:
एफ=डी/आरपी=एफआर
समानता से यह इस प्रकार है कि पहिया का व्यास जितना बड़ा होगा, चलने के लिए कम बल F लगाया जाना चाहिए। अब हम इस समानता को गुणांक Cr के माध्यम से लिखते हैं, हमारे पास है:
चआर=सीआरपी
जैसा कि आप देख सकते हैं, घर्षण बल शरीर के भार के समानुपाती होता है। इसके अलावा, वजन P में उल्लेखनीय वृद्धि के साथ, गुणांक Cr स्वयं बदल जाता है (यह d में वृद्धि के कारण बढ़ता है)। अधिकांश व्यावहारिक मामलों में Cr कुछ सौवें हिस्से के भीतर होता है। बदले में, फिसलने वाले घर्षण के गुणांक का मूल्य कुछ दसवें हिस्से के भीतर होता है। चूंकि रोलिंग और स्लाइडिंग घर्षण बलों के सूत्र समान हैं, इसलिए रोलिंग ऊर्जा की दृष्टि से फायदेमंद साबित होती है (बल fr में स्लाइडिंग बल से कम परिमाण का एक क्रम है सबसे व्यावहारिक स्थितियाँ)।
रोलिंग कंडीशन
हम में से कई लोगों ने बर्फ या कीचड़ पर गाड़ी चलाते समय कार के पहिए फिसलने की समस्या का अनुभव किया है। ऐसा क्यों हैहो रहा है? इस प्रश्न का उत्तर देने की कुंजी रोलिंग और बाकी घर्षण बलों के निरपेक्ष मूल्यों के अनुपात में निहित है। आइए फिर से रोलिंग फॉर्मूला लिखें:
एफ ≧ सीआरपी
जब बल F रोलिंग घर्षण से अधिक या उसके बराबर होगा, तो पहिया लुढ़कना शुरू हो जाएगा। हालाँकि, यदि यह बल पहले स्थैतिक घर्षण के मान से अधिक हो जाता है, तो पहिया अपने लुढ़कने से पहले फिसल जाएगा।
इस प्रकार, स्लिप प्रभाव स्थैतिक घर्षण और रोलिंग घर्षण के गुणांकों के अनुपात से निर्धारित होता है।
कार के पहिए की पर्ची का मुकाबला करने के तरीके
एक फिसलन वाली सतह (उदाहरण के लिए, बर्फ पर) पर कार के पहिये का रोलिंग घर्षण गुणांक Cr=0.01-0.06 द्वारा विशेषता है। हालांकि, के मान स्थिर घर्षण गुणांक के लिए समान क्रम विशिष्ट हैं।
पहिए के फिसलने के जोखिम से बचने के लिए विशेष "विंटर" टायर का उपयोग किया जाता है, जिसमें धातु के स्पाइक्स खराब हो जाते हैं। उत्तरार्द्ध, बर्फ की सतह में दुर्घटनाग्रस्त होकर, स्थैतिक घर्षण के गुणांक को बढ़ाता है।
स्थिर घर्षण को बढ़ाने का एक अन्य तरीका उस सतह को संशोधित करना है जिस पर पहिया चलता है। उदाहरण के लिए, इसे रेत या नमक के साथ छिड़क कर।
