Setiap daripada kita sudah biasa dengan manifestasi daya geseran. Sememangnya, sebarang pergerakan dalam kehidupan seharian, sama ada berjalan seseorang atau menggerakkan kenderaan, adalah mustahil tanpa penyertaan kuasa ini. Dalam fizik, adalah kebiasaan untuk mengkaji tiga jenis daya geseran. Dalam artikel ini, kami akan mempertimbangkan salah satu daripadanya, kami akan mengetahui apa itu geseran statik.
Bar pada permukaan mendatar
Sebelum meneruskan menjawab soalan, apakah daya geseran statik dan apakah yang sama dengannya, mari kita pertimbangkan kes mudah dengan bar yang terletak pada permukaan mendatar.
Mari kita analisa daya yang bertindak pada palang. Yang pertama ialah berat barang itu sendiri. Mari kita nyatakan dengan huruf P. Ia diarahkan menegak ke bawah. Kedua, ini adalah tindak balas sokongan N. Ia diarahkan menegak ke atas. Undang-undang kedua Newton untuk kes yang sedang dipertimbangkan akan ditulis dalam bentuk berikut:
ma=P - N.
Tanda tolak di sini menggambarkan arah yang bertentangan dengan vektor tindak balas berat dan sokongan. Oleh kerana blok berada dalam keadaan rehat, nilai a ialah sifar. Yang terakhir bermaksud:
P - N=0=>
P=N.
Tindak balas sokongan mengimbangi berat badan dan sama dengannya dalam nilai mutlak.
Daya luar yang bertindak pada bar pada permukaan mendatar
Sekarang mari kita tambah satu lagi kuasa bertindak kepada situasi yang diterangkan di atas. Mari kita anggap bahawa seseorang mula menolak bongkah di sepanjang permukaan mendatar. Mari kita nyatakan daya ini dengan huruf F. Seseorang dapat melihat situasi yang menakjubkan: jika daya F adalah kecil, maka walaupun tindakannya, bar terus berehat di permukaan. Berat badan dan tindak balas sokongan diarahkan berserenjang dengan permukaan, jadi unjuran mendatarnya adalah sama dengan sifar. Dalam erti kata lain, daya P dan N tidak boleh menentang F dalam apa cara sekalipun. Dalam kes itu, mengapa bar kekal dalam keadaan diam dan tidak bergerak?
Jelas sekali, mesti ada daya yang diarahkan terhadap daya F. Daya ini ialah geseran statik. Ia diarahkan terhadap F sepanjang permukaan mendatar. Ia bertindak di kawasan hubungan antara pinggir bawah bar dan permukaan. Mari kita nyatakan dengan simbol Ft. Hukum Newton untuk unjuran mendatar akan ditulis sebagai:
F=Ft.
Oleh itu, modulus daya geseran statik sentiasa sama dengan nilai mutlak daya luaran yang bertindak di sepanjang permukaan mengufuk.
Permulaan pergerakan palang
Untuk menulis formula geseran statik, mari kita teruskan percubaan yang dimulakan dalam perenggan sebelumnya artikel. Kami akan meningkatkan nilai mutlak daya luar F. Bar masih akan kekal dalam keadaan rehat untuk beberapa lama, tetapi akan tiba masanya apabila ia mula bergerak. Pada ketika ini, daya geseran statik akan mencapai nilai maksimumnya.
Untuk mencari nilai maksimum ini, ambil bar lain yang sama persis dengan yang pertama dan letakkan di atas. Kawasan sentuhan bar dengan permukaan tidak berubah, tetapi beratnya telah meningkat dua kali ganda. Secara eksperimen didapati bahawa daya F detasmen bar dari permukaan juga meningkat dua kali ganda. Fakta ini membolehkan anda menulis formula berikut untuk geseran statik:
Ft=µsP.
Iaitu, nilai maksimum daya geseran ternyata berkadar dengan berat badan P, di mana parameter µs bertindak sebagai pekali perkadaran. Nilai µs dipanggil pekali geseran statik.
Memandangkan berat badan dalam eksperimen adalah sama dengan daya tindak balas sokongan N, formula untuk Ft boleh ditulis semula seperti berikut:
Ft=µsN.
Tidak seperti yang sebelumnya, ungkapan ini boleh digunakan pada bila-bila masa, walaupun ketika badan berada pada satah condong. Modulus daya geseran statik adalah berkadar terus dengan daya tindak balas sokongan yang permukaan bertindak pada badan.
Punca fizikal daya Ft
Persoalan mengapa geseran statik berlaku adalah rumit dan memerlukan pertimbangan sentuhan antara jasad pada tahap mikroskopik dan atom.
Secara amnya, terdapat dua punca fizikal dayaFt:
- Interaksi mekanikal antara puncak dan palung.
- Interaksi fiziko-kimia antara atom dan molekul badan.
Tidak kira betapa licin mana-mana permukaan, ia mempunyai ketaksekataan dan ketidakhomogenan. Secara kasar, ketidakhomogenan ini boleh diwakili sebagai puncak dan palung mikroskopik. Apabila puncak satu jasad jatuh ke dalam rongga jasad yang lain, gandingan mekanikal berlaku di antara jasad ini. Sebilangan besar gandingan mikroskopik adalah salah satu sebab kemunculan geseran statik.
Sebab kedua ialah interaksi fizikal dan kimia antara molekul atau atom yang membentuk badan. Adalah diketahui bahawa apabila dua atom neutral mendekati satu sama lain, beberapa interaksi elektrokimia boleh berlaku di antara mereka, contohnya, interaksi dipol-dipol atau van der Waals. Pada saat permulaan pergerakan, palang terpaksa mengatasi interaksi ini untuk melepaskan diri dari permukaan.
Ciri kekuatan Ft
Telah dinyatakan di atas jumlah daya geseran statik maksimum yang sama, dan juga arah tindakannya ditunjukkan. Di sini kami menyenaraikan ciri-ciri lain bagi kuantiti Ft.
Geseran rehat tidak bergantung pada kawasan sentuhan. Ia ditentukan semata-mata oleh tindak balas sokongan. Semakin besar kawasan sentuhan, semakin kecil ubah bentuk puncak dan palung mikroskopik, tetapi semakin besar bilangannya. Fakta intuitif ini menerangkan mengapa Ftt maksimum tidak akan berubah jika bar dibalikkan ke tepi dengan yang lebih kecilkawasan.
Geseran rehat dan geseran gelongsor adalah sifat yang sama, diterangkan oleh formula yang sama, tetapi yang kedua sentiasa kurang daripada yang pertama. Geseran gelongsor berlaku apabila bongkah mula bergerak di sepanjang permukaan.
Force Ft ialah kuantiti yang tidak diketahui dalam kebanyakan kes. Formula yang diberikan di atas untuknya sepadan dengan nilai maksimum Ft pada saat bar mula bergerak. Untuk memahami fakta ini dengan lebih jelas, di bawah ialah graf pergantungan daya Ft pada pengaruh luar F.
Ia boleh dilihat bahawa dengan peningkatan F, geseran statik meningkat secara linear, mencapai maksimum, dan kemudian berkurangan apabila badan mula bergerak. Semasa pergerakan, tidak boleh lagi bercakap tentang daya Ft, kerana ia digantikan dengan geseran gelongsor.
Akhirnya, ciri penting terakhir kekuatan Ft ialah ia tidak bergantung pada kelajuan pergerakan (pada kelajuan yang agak tinggi, Ftmenurun).
Pekali geseran µs
Memandangkan µs muncul dalam formula untuk modulus geseran, beberapa perkataan harus dikatakan mengenainya.
Pekali geseran µs ialah ciri unik kedua-dua permukaan. Ia tidak bergantung pada berat badan, ia ditentukan secara eksperimen. Sebagai contoh, untuk pasangan pokok-pokok, ia berbeza dari 0.25 hingga 0.5 bergantung pada jenis pokok dan kualiti rawatan permukaan badan gosok. Untuk permukaan kayu berlilin padasalji basah µs=0.14, dan untuk sendi manusia, pekali ini mengambil nilai yang sangat rendah (≈0.01).
Walau apa pun nilai µs untuk sepasang bahan yang sedang dipertimbangkan, pekali geseran gelongsor yang serupa µk akan sentiasa lebih kecil. Contohnya, apabila menggelongsor pokok di atas pokok, ia adalah sama dengan 0.2, dan untuk sendi manusia ia tidak melebihi 0.003.
Seterusnya, kami akan mempertimbangkan penyelesaian dua masalah fizikal di mana kami boleh menggunakan pengetahuan yang diperoleh.
Bar pada permukaan condong: pengiraan daya Ft
Tugas pertama agak mudah. Mari kita anggap bahawa bongkah kayu terletak di atas permukaan kayu. Jisimnya ialah 1.5 kg. Permukaan condong pada sudut 15o ke ufuk. Ia adalah perlu untuk menentukan daya geseran statik jika diketahui bahawa bar tidak bergerak.
Tangkapan dengan masalah ini ialah ramai orang bermula dengan mengira tindak balas sokongan, dan kemudian menggunakan data rujukan untuk pekali geseran µs, gunakan perkara di atas formula untuk menentukan nilai maksimum F t. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, Ft bukanlah maksimum. Modulusnya adalah sama hanya dengan daya luaran, yang cenderung untuk menggerakkan bar dari tempatnya ke bawah satah. Daya ini ialah:
F=mgsin(α).
Kemudian daya geseran Ft akan sama dengan F. Menggantikan data kepada kesamaan, kita mendapat jawapan: daya geseran statik pada satah condong F t=3.81 newton.
Bar pada permukaan condong: pengiraansudut kecondongan maksimum
Sekarang mari selesaikan masalah berikut: bongkah kayu berada pada satah condong kayu. Dengan mengandaikan pekali geseran sama dengan 0.4, adalah perlu untuk mencari sudut kecondongan maksimum α satah ke ufuk, di mana bar akan mula menggelongsor.
Gelongsor akan bermula apabila unjuran berat badan pada pesawat menjadi sama dengan daya geseran statik maksimum. Mari tulis syarat yang sepadan:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Menggantikan nilai µs=0, 4 ke dalam persamaan terakhir, kita mendapat α=21, 8o.
