Tření - Fyzika online

Tření

Tření je fyzikální jev, který vzniká při pohybu. Setkáváme se s ním téměř pravidelně i v každodenním životě. Nutno říci, že tření je mnohdykrát i velmi žádané, na druhou stranu se ho někdy snažíme co nejvíce minimalizovat.

Tření je doprovázeno třecími silami. Třecí síla působí přesně v opačném směru, než síla pohybová. Pokud je třecí síla menší, než síla pohybu, výsledek je takový, že se těleso pohybuje. Pokud se třecí síla v daný okamžik rovná síle, která způsobuje pohyb tělesa, těleso se zastaví, je v klidu. Pokud by byla třecí síla dokonce větší, než síla, kterou je těleso uváděno do pohybu, tak se těleso vůbec nezačne pohybovat.

Na velikost třecích sil má vliv jednak hmotnost tělesa a dále potom stykové plochy dvou těles. Zpravidla se jedná o přisedlou vrstvu pohybujícího se tělesa a vrchní vrstvu podložky, po které se těleso pohybuje.

Smykové tření

Asi nejčastějším typem tření je smykové tření. Právě to vzniká při posuvném pohybu těles. Smykové tření se značí zápisem F_t, jeho základní jednotkou je Newton (N). Smykové tření je možno vyjádřit následujícím vzorcem:

F_t = f x F

Kde F je normálová síla, obvykle se jedná o sílu tíhovou, která je dána vzorcem: F = m x g, a veličina f je součinitel smykového tření, jedná se v podstatě o konstantu, kterou najdeme pro jednotlivé stykové povrchy v tabulkách

Součinitel smykového tření f udává poměr mezi velikostí třecí síly F_t a normálové síly F. Součinitel smykového tření f je bezrozměrná veličina.

Třecí síla se zmenšuje s narůstající rychlostí pohybu a rovněž většinou i s narůstající teplotou stykových ploch. Při smykovém tření dochází k postupnému zahřívání stykových ploch.

Uveďme si nějaké příklady součinitele smykového tření f pro různé stykové plochy:

Ocel – ocel f = 0,1

Ocel – dřevo f = 0,35

Dřevo – dřevo f = 0,3

Jak snížit smykové tření?

Někdy jsme postaveni před problém, jak snížit smykové tření? Děje se tomu třeba v případě, kdy stěhujeme velmi těžkou skříň, nemůžeme ji nadzvednout a tak ji sunete po zemi, ale tření je tak obrovské, že to jde jen stěží, jak si práci ulehčit? Samozřejmě, že čím menší bude plocha styku, tím menší bude menší i tření. Nabízí se například válečky, kterými podložíme skříň. Po nich budeme potom skříň pomalu valit.

A co třeba v případě, kdy jedeme na hory a chceme si zalyžovat? I zde je žádoucí minimální tření mezi lyžemi a ledem. Zde to asi zmenšením plochy lyží nevyřešíme. Mnohem vhodnější bude, pokud lyže, respektive jejich skluznici namažeme speciálním přípravkem, který snižuje tření.

Jak zvýšit smykové tření?

Často jsme však stavěni do situace, kdy potřebujeme naopak smykové tření zvětšit. Tak třeba v zimě, je námraza, a tudíž je cesta kluzká. Určitě jste si všimnuli, že zimní pneumatiky mají mnohem větší vzorek, tím je v podstatě zvětšena styková plocha a může docházet k většímu tření. Podobné je to i u zimních bot. Pokud je náledí na chodnících posypáno pískem, dojde také ke zvětšení tření, což je v zimním období více než žádoucí.

Vnitřní tření - viskozita

K procesu tření však nedochází výhradně a pouze u mechanického pohybu. Existuje totiž i vnitřní forma tření. Vyskytuje se u vnitřních částic každé látky, tedy základních stavebních částic. Vnitřní tření je například u proudění kapalin a nazývá se viskozitou.

Valivé tření

Valivé tření je zvláštní forma tření, která se vyskytuje u valivého pohybu. Vzniká tedy mezi tělesem kruhového průřezu, které se valí po podložce.

Valivé tření je charakterizováno následujícím vzorcem:

F_t = ξ x F / R

ξ je rameno valivého odporu, F je kolmá tlaková síla a R je poloměr průřezu valícího se tělesa

ξ má jednotku metr (m), F má jednotku Newton (N) a R má opět jednotku metr (m), hodnoty ξ nalezneme v tabulkách

Valivé tření je mnohem menší, než smykové tření, řádově o tři až čtyři desetinná místa, uveďme si nějaké příklady ramena valivého odporu ξ:

Dřevo – dřevo ξ = 0,0008 m

Ocel – ocel ξ = 0,00003 m

Př.1: Určeme tření tělesa, které má hmotnost 100 kg, víme-li, že součinitel smykového tření je 0,1

m = 100 kg

f = 0,1

F_t = ?

F_t = f x F = f x m x g = 0,1 x 100 kg x 10 N / kg = 100 N

V tomto příkladě stačí pouze dosadit do vzorce, místo tlakové síly je však v zadání hmotnost, je třeba si uvědomit, že tlaková síla je určena hmotností vynásobenou o gravitační zrychlení, kterým je konstanta 10 N / kg

Př.2: Určeme hmotnost tělesa, které má smykové tření 200 N, víme-li, že součinitel smykového tření je 0,2

m = ?

f = 0,2

F_t = 200 N

F_t = f x F

F = F_t / f = 200 N / 0,2 = 1 000 N

F = m x g

M = F / g = 1 000 N / 10 N / kg = 100 kg

Nejprve je třeba vypočítat tíhovou sílu, k výsledku dojdeme jednoduše, stačí dosadit do základního vzorce pro smykové tření, u kterého je potřeba osamostatnit tíhovou sílu, následně je třeba využít vzorec charakterizující druhý Newtonův pohybový zákon, u něho musíme osamostatnit hmotnost a poté již stačí pouze dosadit a máme požadovaný výsledek

Př.3: Určeme valivé tření u tělesa, které má poloměr 100 cm, víme-li, že rameno valivého tření je 0,00001 m a těleso, které se odvaluje váží 5 kg

m = 5 kg

ξ = 0,00001 m

R = 100 cm = 1 m

F_t = ?

F_t = ξ x F / R = F_t = ξ x m x g / R = (0,00001 m x 5 kg x 10 N / kg) / 1 m = 0,0005 N

Pracujeme se vzorcem pro výpočet valivého tření, v podstatě stačí pouze dosadit s tím, že je nejprve potřeba rozepsat sílu F a to za pomoci druhého Newtonova pohybového zákona

Př.3: Určeme poloměr odvalujícího se tělesa pokud víme, že rameno valivého tření je 0,00001 m, hmotnost tělesa je 5 kg a třecí síla je 0,001 N

m = 5 kg

ξ = 0,00001 m

R = ?

F_t = 0,001 N

F_t = ξ x F / R

R = ξ x F / F_t = ξ x m x g / F_t = (0,00001 m x 5 kg x 10 N / kg) / 0,001 N = 0,5 m = 50 cm

Nejprve je zapotřebí vhodně upravit vzorec pro valivé tření, v našem případě je nutné osamostatnit poloměr R, poté stačí dosadit do vzorce s tím, že opět sílu F rozepíšeme pomocí druhého Newtonova pohybového zákona