摩擦：タイプ、係数、計算、エクササイズ - 物理的 - 2025

摩擦は互いに接触している面の動きに対する抵抗です。これは、固体、液体、気体の物質間で発生する表面現象です。接触する２つの表面に接する抵抗力は、前記表面間の相対変位の方向に対抗し、摩擦力または摩擦力Ｆ_ｒとも呼ばれる。

サーフェス上のソリッドボディを変位させるには、摩擦を克服できる外力を加える必要があります。体が動くと、摩擦力が体に作用し、体を遅くし、止めることさえできます。

摩擦

摩擦力は、表面と接触している物体の力図によってグラフで表すことができます。この図では、摩擦力F _rは、表面に接するボディに加えられる力の成分に対抗して描かれています。

接触面は、法線力Nと呼ばれる反力を身体に及ぼします。場合によっては、法線力は表面に載っている身体の重量Pのみに起因することもあれば、重力以外の加えられた力に起因することもあります。

摩擦は、接触している表面間に微視的な粗さが存在するために発生します。1つのサーフェスを他のサーフェスの上に移動しようとすると、粗さの間で摩擦が発生し、界面での自由な移動が妨げられます。次に、エネルギー損失は、身体を動かすために使用されない熱の形で発生します。

摩擦の種類

摩擦には主に2つのタイプがあります。クーロン摩擦または乾式摩擦、および流体摩擦です。

-クーロン摩擦

クーロン摩擦は常にボディの動きに対抗し、2つのタイプの摩擦に分類されます。静的摩擦と動的（または動的）摩擦です。

静止摩擦では、表面での身体の動きはありません。適用された力は非常に低く、摩擦力に打ち勝つには不十分です。摩擦には、垂直力に比例する最大値があり、静的摩擦力F _reと呼ばれます。

静摩擦の力は、体の動きの始まりに抵抗する最大の力として定義されます。加えられた力が静止摩擦力を超えると、最大値に留まります。

運動摩擦は、身体がすでに動いているときに作用します。摩擦で身体を動かし続けるために必要な力は、動摩擦力F _rcと呼ばれます。

動摩擦力は静止摩擦力以下です。これは、身体が動き始めると、静止しているときよりも動き続けるほうが簡単だからです。

クーロンの摩擦の法則

1. 摩擦力は、接触面に垂直な力に正比例します。比例定数は、接触する表面間に存在する摩擦係数μです。
2. 摩擦力は、表面間の見かけの接触領域のサイズとは無関係です。
3. 動摩擦力はボディの滑り速度とは無関係です。

-流体摩擦

摩擦は、物体が液体または気体の物質と接触して動くときにも発生します。このタイプの摩擦は流体摩擦と呼ばれ、流体と接触する物体の動きに対する抵抗として定義されます。

流体摩擦は、同じまたは異なる材料の流体層と接触して流れる流体の抵抗も指し、流体の速度と粘度に依存します。粘度は、流体の動きに対する抵抗の尺度です。

-ストークス摩擦

ストークス摩擦は、粘性流体に浸漬された球形粒子が層流で、流体の分子の変動によりその動きを遅くする摩擦力を受ける流体摩擦の一種です。

ストークス摩擦

流体の動きに対抗する粘性力が慣性力よりも大きく、流体が十分に小さな速度で直線経路を移動する場合、流れは層流になります。

摩擦係数

クーロンの第1摩擦則によれば、摩擦係数μは、摩擦力と接触面に垂直な力との関係から得られます。

係数μは、接触している材料の性質と処理に依存する2つの力の間の関係であるため、無次元量です。一般に、摩擦係数の値は0から1の間です。

静摩擦係数

静摩擦係数は、接触面に静止した状態で身体の動きを妨げる力と、表面に垂直な力との間に存在する比例定数です。

動摩擦係数

動摩擦係数は、表面上を移動する物体の動きを制限する力と表面に垂直な力との間に存在する比例定数です。

静摩擦係数は、動摩擦係数よりも大きくなります。

弾性摩擦係数

弾性摩擦係数は、加えられた力によって変形する弾性材料、軟質材料、または粗い材料の接触面間の摩擦から導出されます。摩擦は2つの弾性表面間の相対運動に対抗し、変位は材料の表面層の弾性変形を伴います。

これらの条件下で得られる摩擦係数は、表面粗さの程度、接触している材料の物理的性質、および材料の界面での剪断力の接線成分の大きさに依存します。

分子摩擦係数

分子摩擦係数は、滑らかな表面上または流体を介して滑る粒子の動きを制限する力から得られます。

摩擦はどのように計算されますか？

固体界面の摩擦力は、式F _r =μN を使用して計算されます。

摩擦力の式に重量の式を代入すると、次のようになります。

ノーマルの特徴

物体が平らな面に静止している場合、法線力は表面が身体に及ぼす力であり、ニュートンの作用と反応の法則に従って、重力によって力に対抗します。

法線力は常に表面に対して垂直に作用します。傾斜したサーフェスでは、リーン角度が大きくなると法線は減少し、サーフェスから離れる垂直方向を指します。一方、ウェイトは垂直に下向きになります。傾斜面の垂直力の方程式は次のとおりです。

θ=接触面の傾斜角度。

傾斜面摩擦

それを滑らせるために体に作用する力の成分は次のとおりです：

加えられる力が増加するにつれて、摩擦力の最大値に近づきます。この値は、静止摩擦力に対応する値です。F = F _reの場合、静摩擦力は次のとおりです。

また、静摩擦係数は傾斜角θの正接から求めます。

解決された演習

-水平面に置かれた物体の摩擦力

水平な面に置かれた15Kgの箱は、面に沿って50ニュートンの力を加えて動かし、次に25 Nの力を加えて箱を一定の速度で動かし続ける人が押します。静摩擦および動摩擦の係数を決定します。

水平面上を移動するボックス

解決策：ボックスを移動するために適用される力の値を使用して、静止摩擦係数μe _{が取得され}ます。

表面への垂直力Nは箱の重量に等しいため、N = mg

この場合、μ _E = 50New / 147New

ボックスの速度を一定に保つために適用される力は、25Newに等しい動摩擦力です。

動摩擦係数は、式μで得られる_C = Fの_RC / N

-傾斜角のある力の作用下での物体の摩擦力

ある人が20Kgの箱に力を加え、それが置かれている表面に対して30°の力がかかります。ボックスと表面の間の摩擦係数が0.5の場合、ボックスを動かすために適用される力の大きさはどれくらいですか？

ソリューション：自由体図は、加えられた力とその垂直および水平成分を表します。

フリーボディ図

適用された力は、水平面に対して30°の角度になります。力の垂直成分は、静摩擦力に影響を与える垂直力に追加されます。加えられた力の水平成分が摩擦力F _reの最大値を超えると、ボックスが移動します。力の水平成分を静摩擦の成分と等しくすると、次のようになります。

通常の強度

通常の力は、力の垂直成分のために、もはや体重ではありません。

ニュートンの第2法則によれば、垂直軸上のボックスに作用する力の合計はゼロであるため、加速度の垂直成分は_y = 0です。垂直力は合計から得られます

方程式に方程式を代入すると、次のようになります。

-走行中の車両の摩擦

1.5トンの車両が時速70キロの速度でまっすぐで水平な道路を走行しています。ドライバーは、道路上のある距離の障害物を見て、急ブレーキを強います。ブレーキ後、車両は停止するまで短時間横滑りします。タイヤと路面の間の摩擦係数が0.7の場合。以下を決定します。

1. 車両が横滑りしている間の摩擦の価値は何ですか？
2. 車両の減速
3. 車両がブレーキをかけてから停止するまでの移動距離。

横滑り時の車両の摩擦力は次のとおりです。

= 10290新規

セクションB

摩擦力は、車両が滑るときの車両の減速に影響を与えます。

ニュートンの第2法則を適用することにより、式F = maを解くことにより減速度の値が得られます。

セクションc

車両の初速度はv ₀ = 70Km / h = 19.44m / sです。

車両が停止するときの最終速度はv _f = 0で、減速度はa =-6.86m / s ^2です。

ブレーキをかけてから停止するまでの車両の移動距離は、次の方程式からdを解くことで得られます。

車両は停止する前に27.54mの距離を走行します。

1. 弾性接触条件下での摩擦係数の計算。ミヒン、N M. 2、1968、ソビエト材料科学、第4巻、pp。149-152。
2. ブラウ、P J.摩擦科学と技術。米国フロリダ州：CRC Press、2009年。
3. 付着力と摩擦力の関係。Israelachvili、JN、Chen、You-Lung and Yoshizawa、H. 11、1994、Journal of Adhesion Science and Technology、Vol。8、pp。1231-1249。
4. ジンバ、J。フォースアンドモーション。メリーランド州ボルチモア：ジョンズホプキンス大学出版局、2009年。
5. Bhushan、B.原則とトライボロジーの応用。ニューヨーク：John Wiley and Sons、1999年。
6. Sharma、CSおよびPurohit、K.メカニズムと機械の理論。ニューデリー：インドのプレンティスホール、2006年。