Friktionskraft och motstånd
Friktionskraft är den kraft som motverkar en rörelse mellan två ytor. Exempel på friktionskraft är om bilens hjul mot vägen eller friktionen mellan pulkan och snön som uppstår om man åker ner för en backe. Längre ner finns ett räkneexempel med siffror på friktionskraft.
Om du gnuggar handflatorna fram och tillbaka kommer du känna av ett friktionsarbete, det är värmen som utvecklas.
\[ F_f = {\mu}N\]
där μ (uttalas my) är friktionskoefficienten, och N är normalkraften.
Bildexempel på friktion
Två lika eller olika material har kontakt, även om de verkar plana finns det ojämnheter om vi tar oss mycket, mycket nära skarven mellan dessa material.
Friktionskoefficienten μ
Friktionskoefficienten är ett dimensionslöst tal, det har således ingen enhet så som meter, kg, eller sekund. Det är bara ett tal.
Friktionskoefficienten beror bland annat på vilka material som nuddar varandra.
Det finns en mängd övriga faktorer som också påverkar, exempelvis har två planhyvlade och slipade träplankor en lägre friktionskoefficient än två liknande plankor där träfibrerna rest sig. Övriga faktorer är om ytorna är våta eller smorda med något medel för att öka eller minska friktionen.
Nedan har vi samlat i en tabell några friktionskoefficienter och vilka material som möts. Dessa är inte universellt fastställda värden utan du kommer hitta skiftande (men liknande) i olika tabeller.
| Material mot material | Friktionskoefficient |
|---|---|
| Stål mot stål | 0.15 |
| Gummi mot betong | 0.8 |
| Trä mot sten | 0.3 |
Ovanstående är hämtade ur Physics handbook for science and engineering, med ISBN 9789144044538. Boken kan varmt rekommenderas till dig som studerar matematik och fysik.
Statisk och kinetisk friktion
Ibland finns det två friktionskoefficienter angivna. Dessa är statisk friktion och kinetisk friktion. Den statiska friktionen är den som måste övervinnas för att få föremålet i rörelse, medan den kinetiska friktionen är friktionen som finns när föremålet är i rörelse.
Ett exempel är att börja dra någon efter sig i en pulka. I början känns det lite tyngre, innan man fått upp fart och det går lättare. I början verkar den statiska friktionen som övergår till kinetisk friktion. Samma sak gäller för exempelvis en kundvagn eller en barnvagn.
Räkneexempel på friktionskraft
Det som kan vara svårt i början när en räknar friktionskraft är att ha koll på vad normalkraften är och kan ersättas med i formeln. En låda med massan 40.0 kg glider längs marken, friktionskoefficienten är 0.30. Hur stor är friktionskraften? Vi ritar upp en bild krafterna som verkar.
Vi kommer nyttja Newtons andra lag och att lådan inte rör sig i vertikal-led för att uttrycka normalkraften med hjälp av tyngdkraften. Därefter kommer vi substituera in det i friktionskraften.
Summa av krafter i vertikalled
Då lådan inte rör sig i vertikalled, vet vi att summan av dessa krafter är 0, dvs, den rör sig inte med konstant fart upp eller ner och har inte heller någon acceleration upp eller ner.
\[ N - mg = 0\]
Vi kan flytta över \(mg\) till högerledet och erhålla detta samband.
\[ N = mg\]
Substituera in i formeln för friktionskraft
Vi vet sedan tidigare att friktionskraft skrivs som friktionskoefficienten multiplicerat med normalkraften. Med hjälp av ovanstående formel kan vi byta ut normalkraften mot vårt uttryck.
\[ F_f = {\mu}N ={\mu}mg\]
Med numeriska värden, där friktionskoefficienten är 0.30, massan 40.0 kg, och tyngdaccelerationen 9.82 m/s2.
\[ F_f = 0.30\cdot40.0\cdot9.82 =117.84 \approx 120~\text{N.}\]
Friktionskraften är således 120 Newton.
Är normalkraften alltid lika med tyngdkraften?
Nej. Exempelvis har en låda som står i ett lutande plan en annan normalkraft än samma låda som står på ett horisontalt plan.
Friktionsarbete
Friktionsarbete fungerar som vanligt fysikaliskt arbete. Friktionskraften multipliceras således med sträckan den verkat.
\[ W_f = F_fs\]
Exempel på när ett friktionsarbete används finns under rörelseenergi.