Tarcie. Siła tarcia

Bardzo często rozwiązując zadania z fizyki zaniedbujemy wpływ sił tarcia na ruch ciała, bądź układu ciał. W praktyce jednak, czy nam się to podoba, czy nie, siły tarcia są nieodłączną częścią naszej codzienności, dzięki którym możliwy jest np. ruch samochodów, czy statków. W artykule tym zajmiemy się opisem siły tarcia statycznego i kinetycznego występujących pomiędzy dwoma suchymi powierzchniami.

Siła tarcia statycznego

Z doświadczenia wiemy, że aby przesunąć po podłożu bardzo ciężki przedmiot musimy przyłożyć do niego odpowiednio dużą siłę. Może się jednak zdarzyć, że pomimo oddziaływania na ciało siłą $\vec{F}$, ciało to będzie nadal spoczywać (rysunek a)). Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona ciało pozostaje w spoczynku, gdy siły działające na ciało równoważą się. W związku z powyższym sile $\vec{F}$ musi przeciwstawiać się siła o tej samej wartości, lecz przeciwnie do niej skierowana. Tą siłą jest właśnie siła tarcia statycznego $\vec{F}_{Ts}$.

Gdy będziemy stopniowo zwiększać wartość siły $\vec{F}$ przykładanej do ciała, wartość siły tarcia będzie również wzrastać. W efekcie ciało, wskutek równowagi tychże sił, nadal będzie znajdować się w stanie spoczynku (rysunek b)). Dopiero, gdy siła $\vec{F}$ przekroczy pewną graniczną wartość siły tarcia statycznego, ciało zacznie ślizgać się po podłożu. Ta graniczna wartość nazywana jest maksymalną wartością siły tarcia statycznego F_Ts,max. Jej wartość możemy obliczyć korzystając z poniższego wzoru:

$$F_{Ts,max} = \mu_s \hspace{.05cm} N$$

gdzie:
μ_s  – współczynnik tarcia statycznego,
N  – siła nacisku, działająca na ciało ze strony podłoża (siła ta jest prostopadła do podłoża).

Siła tarcia kinetycznego

Przyłożenie do ciała siły o wartości F  > F_Ts,max  powoduje wprawienie ciała w ruch ślizgowy z przyspieszeniem $\vec{a}$. Siłę tarcia przeciwstawiającą się ruchowi ślizgowemu ciała nazywamy siłą tarcia kinetycznego $\vec{F}_{Tk}$ (rysunek c)). Wartość tej siły jest zwykle mniejsza od wartości F_Ts,max, w związku z czym utrzymanie ciała w ruchu ślizgowym wiąże się z przykładaniem do ciała siły $\vec{F}$ o mniejszej wartości (liczne eksperymenty wykazały, że po wprawieniu ciała w ruch ślizgowy następuje na ogół nagła (skokowa) zmiana wartości siły tarcia). Wzór pozwalający obliczyć wartość siły tarcia kinetycznego wynosi:

$$F_{Tk} = \mu_k \hspace{.05cm} N$$

gdzie μ_k  to współczynnik tarcia kinetycznego.

Współczynniki μ_s  i μ_k  są bezwymiarowe (nie posiadają jednostki miary), a ich wartości, wyznaczane doświadczalnie, zależą bezpośrednio od właściwości ciała oraz podłoża.