Մեզնից յուրաքանչյուրին ծանոթ է շփման ուժի դրսևորումը։ Իսկապես, առօրյա կյանքում ցանկացած շարժում՝ լինի դա մարդու քայլելը, թե տրանսպորտային միջոցը, անհնար է առանց այդ ուժի մասնակցության։ Ֆիզիկայի մեջ ընդունված է ուսումնասիրել երեք տեսակի շփման ուժեր. Այս հոդվածում մենք կքննարկենք դրանցից մեկը, կպարզենք, թե ինչ է ստատիկ շփումը:
Ձող հորիզոնական մակերեսի վրա
Մինչ հարցերին պատասխանելուն անցնելը, թե ինչ է ստատիկ շփման ուժը և ինչին է այն հավասար, եկեք դիտարկենք մի պարզ դեպք հորիզոնական մակերևույթի վրա ընկած ձողով:
Եկեք վերլուծենք, թե ինչ ուժեր են գործում ձողի վրա: Առաջինը հենց իրի քաշն է: Նշենք այն P տառով։ Այն ուղղահայաց է դեպի ներքև։ Երկրորդ, սա հենարանի արձագանքն է N. Այն ուղղված է ուղղահայաց դեպի վեր: Նյուտոնի երկրորդ օրենքը քննարկվող դեպքի համար գրվելու է հետևյալ ձևով՝
ma=P - N.
Այստեղ մինուս նշանն արտացոլում է քաշի և աջակցության ռեակցիայի վեկտորների հակառակ ուղղությունները: Քանի որ բլոկը գտնվում է հանգստի վիճակում, ապա a-ի արժեքը զրո է:Վերջինս նշանակում է, որ՝
P - N=0=>
P=N.
Հենարանի ռեակցիան հավասարակշռում է մարմնի քաշը և հավասար է դրան բացարձակ արժեքով։
Հորիզոնական մակերեսի վրա գտնվող ձողի վրա գործող արտաքին ուժ
Հիմա վերը նկարագրված իրավիճակին ավելացնենք ևս մեկ գործող ուժ։ Ենթադրենք, որ մարդը սկսում է բլոկ հրել հորիզոնական մակերևույթի երկայնքով: Այս ուժը նշենք F տառով: Կարելի է նկատել մի զարմանալի իրավիճակ. եթե F ուժը փոքր է, ապա, չնայած դրա գործողությանը, բարը շարունակում է մնալ մակերեսի վրա: Մարմնի քաշը և հենարանի ռեակցիան ուղղված են մակերեսին ուղղահայաց, ուստի դրանց հորիզոնական ելքերը հավասար են զրոյի։ Այսինքն՝ P և N ուժերը ոչ մի կերպ չեն կարող հակադրվել F-ին, այդ դեպքում ինչո՞ւ է ձողը մնում հանգիստ և չի շարժվում։
Ակնհայտ է, որ պետք է լինի ուժ, որն ուղղված է F ուժի դեմ: Այս ուժը ստատիկ շփումն է: Այն ուղղված է F-ի դեմ հորիզոնական մակերևույթի երկայնքով։ Այն գործում է բարի ստորին եզրի և մակերեսի միջև շփման տարածքում: Նշենք այն Ft նշանով։ Հորիզոնական պրոյեկցիայի համար Նյուտոնի օրենքը կգրվի այսպես՝
F=Ft.
Այսպիսով, ստատիկ շփման ուժի մոդուլը միշտ հավասար է հորիզոնական մակերևույթի երկայնքով գործող արտաքին ուժերի բացարձակ արժեքին:
Գծի շարժման սկիզբ
Ստատիկ շփման բանաձեւը գրելու համար շարունակենք հոդվածի նախորդ պարբերություններում սկսված փորձը։ Կմեծացնենք F արտաքին ուժի բացարձակ արժեքը։Ձողը դեռ որոշ ժամանակ հանգիստ կմնա, բայց կգա մի պահ, երբ այն կսկսի շարժվել: Այս պահին ստատիկ շփման ուժը կհասնի իր առավելագույն արժեքին:
Այս առավելագույն արժեքը գտնելու համար վերցրեք մեկ այլ գծիկ, որը ճիշտ նույնն է, ինչ առաջինը և դրեք այն վերևում: Ձողի շփման տարածքը մակերեսի հետ չի փոխվել, բայց դրա քաշը կրկնապատկվել է: Փորձնականորեն պարզվել է, որ մակերևույթից ձողի անջատման F ուժը նույնպես կրկնապատկվել է։ Այս փաստը թույլ տվեց գրել ստատիկ շփման հետևյալ բանաձևը՝
Ft=μsP.
Այսինքն՝ շփման ուժի առավելագույն արժեքը պարզվում է, որ համաչափ է P մարմնի քաշին, որտեղ µs պարամետրը գործում է որպես համաչափության գործակից: µs արժեքը կոչվում է ստատիկ շփման գործակից:
Քանի որ փորձի մարմնի քաշը հավասար է օժանդակ ռեակցիայի ուժին N, Ft-ի բանաձևը կարող է վերաշարադրվել հետևյալ կերպ.
Ft=μsN.
Ի տարբերություն նախորդի, այս արտահայտությունը միշտ կարելի է օգտագործել, նույնիսկ երբ մարմինը գտնվում է թեք հարթության վրա։ Ստատիկ շփման ուժի մոդուլն ուղիղ համեմատական է հենման ռեակցիայի ուժին, որով մակերեսը գործում է մարմնի վրա։
ուժի ֆիզիկական պատճառները Ft
Հարցը, թե ինչու է առաջանում ստատիկ շփումը, բարդ է և պահանջում է հաշվի առնել մարմինների շփումը միկրոսկոպիկ և ատոմային մակարդակներում:
Ընդհանուր առմամբ, ուժի երկու ֆիզիկական պատճառ կաFt:
- Մեխանիկական փոխազդեցություն գագաթների և գագաթների միջև:
- Ատոմների և մարմինների մոլեկուլների ֆիզիկաքիմիական փոխազդեցությունը։
Որքան էլ հարթ լինի ցանկացած մակերես, այն ունի անկանոնություններ և անհամասեռություններ: Մոտավորապես, այս անհամասեռությունները կարող են ներկայացվել որպես մանրադիտակային գագաթներ և անկումներ: Երբ մի մարմնի գագաթն ընկնում է մեկ այլ մարմնի խոռոչի մեջ, այդ մարմինների միջև տեղի է ունենում մեխանիկական զուգավորում: Հսկայական թվով մանրադիտակային ագույցներ ստատիկ շփման առաջացման պատճառներից մեկն է։
Երկրորդ պատճառը մարմինը կազմող մոլեկուլների կամ ատոմների ֆիզիկական և քիմիական փոխազդեցությունն է: Հայտնի է, որ երբ երկու չեզոք ատոմներ մոտենում են միմյանց, դրանց միջև կարող են առաջանալ որոշ էլեկտրաքիմիական փոխազդեցություններ, օրինակ՝ դիպոլ-դիպոլ կամ վան դեր Վալսյան փոխազդեցություններ։ Շարժման սկզբի պահին բարը ստիպված է լինում հաղթահարել այդ փոխազդեցությունները՝ մակերեսից պոկվելու համար։
Ft ուժի առանձնահատկությունները
Վերևում արդեն նշվել է, թե ինչին է հավասար առավելագույն ստատիկ շփման ուժը, ինչպես նաև նշված է դրա գործողության ուղղությունը։ Այստեղ մենք թվարկում ենք Ft քանակի այլ բնութագրիչներ:
Հանգիստ շփումը կախված չէ շփման տարածքից: Այն որոշվում է բացառապես աջակցության արձագանքով: Որքան մեծ է շփման տարածքը, այնքան փոքր է մանրադիտակային գագաթների և գոգավորությունների դեֆորմացիան, բայց այնքան մեծ է դրանց թիվը: Այս ինտուիտիվ փաստը բացատրում է, թե ինչու առավելագույն Ftt-ը չի փոխվի, եթե բարը շրջվի դեպի ծայրը փոքրի հետ:տարածք։
Հանգիստ շփումը և սահող շփումը նույն բնույթն են, նկարագրված են նույն բանաձևերով, բայց երկրորդը միշտ ավելի քիչ է, քան առաջինը: Սահող շփումը տեղի է ունենում, երբ բլոկը սկսում է շարժվել մակերեսի երկայնքով:
Force Ft շատ դեպքերում անհայտ մեծություն է: Բանաձևը, որը տրված է դրա համար վերևում, համապատասխանում է Ft առավելագույն արժեքին այն պահին, երբ բարը սկսում է շարժվել: Այս փաստն ավելի պարզ հասկանալու համար ստորև ներկայացված է Ft ուժի կախվածության գրաֆիկը արտաքին F ազդեցությունից:
Կարելի է տեսնել, որ F-ի մեծացման հետ ստատիկ շփումը գծայինորեն մեծանում է, հասնում է առավելագույնի, այնուհետև նվազում է, երբ մարմինը սկսում է շարժվել։ Շարժման ընթացքում այլևս հնարավոր չէ խոսել Ft ուժի մասին, քանի որ այն փոխարինվում է սահող շփումով:
Վերջապես, Ft ուժի վերջին կարևոր առանձնահատկությունն այն է, որ այն կախված չէ շարժման արագությունից (համեմատաբար բարձր արագությամբ՝ Ftնվազում է).
շփման գործակից մս
Քանի որ µs-ը հայտնվում է շփման մոդուլի բանաձևում, պետք է մի քանի խոսք ասել դրա մասին:
Շփման գործակիցը μs երկու մակերեսների եզակի հատկանիշն է: Այն կախված չէ մարմնի քաշից, այն որոշվում է փորձարարական ճանապարհով։ Օրինակ՝ ծառ-ծառ զույգի համար այն տատանվում է 0,25-ից մինչև 0,5՝ կախված ծառի տեսակից և քսող մարմինների մակերեսային մշակման որակից: Մոմապատ փայտե մակերեսների համարթաց ձյուն μs=0,14, իսկ մարդու հոդերի համար այս գործակիցը շատ ցածր արժեքներ է ընդունում (≈0,01):
Ինչպիսին էլ լինի µs արժեքը դիտարկվող զույգ նյութերի համար, սահող շփման համանման գործակիցը մk միշտ կլինի. ավելի փոքր: Օրինակ՝ ծառը ծառի վրա սահելիս այն հավասար է 0,2-ի, իսկ մարդու հոդերի դեպքում այն չի գերազանցում 0,003-ը։
Հաջորդում կդիտարկենք երկու ֆիզիկական խնդիրների լուծումը, որոնցում կարող ենք կիրառել ձեռք բերված գիտելիքները։
Ձող թեք մակերեսի վրա. ուժի հաշվարկ Ft
Առաջին առաջադրանքը բավականին պարզ է. Ենթադրենք, որ փայտե բլոկը ընկած է փայտե մակերեսի վրա: Նրա զանգվածը 1,5 կգ է։ Մակերեւույթը հորիզոնի նկատմամբ թեքված է 15o անկյան տակ։ Անհրաժեշտ է որոշել ստատիկ շփման ուժը, եթե հայտնի է, որ ձողը չի շարժվում։
Այս խնդիրն այն է, որ շատ մարդիկ սկսում են հաշվարկելով հենարանի արձագանքը, այնուհետև օգտագործելով հղման տվյալները շփման գործակցի μs, օգտագործել վերը նշվածը: F t-ի առավելագույն արժեքը որոշելու բանաձև: Այնուամենայնիվ, այս դեպքում Ft առավելագույնը չէ: Դրա մոդուլը հավասար է միայն արտաքին ուժին, որը հակված է բարը տեղից հարթության վրա ներքև տեղափոխել։ Այս ուժն է՝
F=mgsin(α).
Այնուհետև շփման ուժը Ft հավասար կլինի F-ին: Տվյալները փոխարինելով հավասարությամբ՝ ստանում ենք պատասխան՝ թեք հարթության վրա ստատիկ շփման ուժը F t=3,81 նյուտոն։
Ձող թեք մակերեսի վրա. հաշվարկառավելագույն թեքության անկյուն
Հիմա լուծենք հետևյալ խնդիրը. փայտե բլոկը գտնվում է փայտե թեք հարթության վրա: Եթե շփման գործակիցը հավասար է 0,4-ի, անհրաժեշտ է գտնել հարթության α թեքության առավելագույն անկյունը դեպի հորիզոն, որի դեպքում ձողը կսկսի սահել։
Սահումը կսկսվի, երբ մարմնի քաշի պրոյեկցիան հարթության վրա հավասարվի առավելագույն ստատիկ շփման ուժին: Գրենք համապատասխան պայմանը՝
F=Ft=>
mgsin(α)=μsmgcos(α)=>
tg(α)=μs=>
α=արկտան (µs).
Փոխարինելով µs=0, 4 արժեքը վերջին հավասարման մեջ, մենք ստանում ենք α=21, 8o.
