Dans une section spéciale de physique - dynamique, lorsqu'ils étudient le mouvement des corps, ils considèrent les forces agissant sur le système en mouvement. Ce dernier peut effectuer un travail à la fois positif et négatif. Considérez dans cet article ce qu'est le travail de la force de frottement et comment il est calculé.
Le concept de travail en physique
En physique, le concept de "travail" est différent de l'idée ordinaire de ce mot. Le travail est compris comme une grandeur physique, qui est égale au produit scalaire du vecteur force et du vecteur déplacement du corps. Supposons qu'il existe un objet sur lequel agit la force F¯. Puisqu'aucune autre force n'agit sur lui, son vecteur de déplacement l¯ coïncidera en direction avec le vecteur F¯. Le produit scalaire de ces vecteurs dans ce cas correspondra au produit de leurs modules, soit:
A=(F¯l¯)=Fl.
La valeur A est le travail effectué par la force F¯ pour déplacer l'objet d'une distance l. En tenant compte des dimensions des valeurs F et l, nous constatons que le travail est mesuré en newtons par mètre (Nm) dans le système SI. Cependant, l'unitéNm a son propre nom - c'est un joule. Cela signifie que le concept de travail est le même que le concept d'énergie. En d'autres termes, si une force de 1 newton déplace un corps de 1 mètre, alors les coûts énergétiques correspondants sont de 1 joule.
Quelle est la force de frottement ?
Étudier la question du travail de la force de frottement est possible si vous savez de quel type de force nous parlons. Le frottement en physique est un processus qui empêche tout mouvement d'un corps à la surface d'un autre lorsque ces surfaces sont mises en contact.
Si nous ne considérons que les corps solides, alors il existe trois types de frottement pour eux:
- repos;
- slip;
- roulement.
Ces forces agissent entre les surfaces en contact et sont toujours dirigées contre le mouvement des corps.
Le frottement de repos empêche le mouvement lui-même, le frottement de glissement se manifeste dans le processus de mouvement, lorsque les surfaces des corps glissent les unes sur les autres, et le frottement de roulement existe entre le corps qui roule sur la surface et la surface elle-même.
Un exemple de l'action du frottement statique est une voiture qui est sur le frein à main sur une pente. La friction de glissement se manifeste lorsqu'un skieur se déplace sur la neige ou qu'un patineur se déplace sur la glace. Enfin, le frottement de roulement agit pendant que la roue de la voiture se déplace le long de la route.
Les forces pour les trois types de frottement sont calculées à l'aide de la formule suivante:
Ft=µtN.
Ici N est la force de réaction d'appui, µt est le coefficient de frottement. Forcer Nmontre l'amplitude de l'impact du support sur le corps perpendiculairement au plan de la surface. Quant au paramètre µt, il est mesuré expérimentalement pour chaque couple de matériaux frottants, par exemple bois-bois, acier-neige, etc. Les résultats mesurés sont rassemblés dans des tableaux spéciaux.
Pour chaque force de frottement, le coefficient µt a sa propre valeur pour le couple de matériaux sélectionné. Ainsi, le coefficient de frottement statique est supérieur à celui du frottement de glissement de plusieurs dizaines de pour cent. À son tour, le coefficient de roulement est de 1 à 2 ordres de grandeur inférieur à celui du glissement.
Travail des forces de frottement
Maintenant, après avoir pris connaissance des concepts de travail et des types de friction, vous pouvez passer directement au sujet de l'article. Considérons dans l'ordre tous les types de forces de friction et déterminons leur travail.
Commençons par la friction statique. Ce type se manifeste lorsque le corps ne bouge pas. Puisqu'il n'y a pas de mouvement, son vecteur de déplacement l¯ est égal à zéro. Ce dernier signifie que le travail de la force de frottement statique est également égal à zéro.
Le frottement par glissement, par définition, n'agit que lorsque le corps se déplace dans l'espace. Étant donné que la force de ce type de frottement est toujours dirigée contre le mouvement du corps, cela signifie qu'il effectue un travail négatif. La valeur de A peut être calculée à l'aide de la formule:
A=-Ftl=-µtNl.
Le travail de la force de frottement glissant vise à ralentir le mouvement du corps. À la suite de ce travail, l'énergie mécanique du corps est convertie en chaleur.
Le frottement de roulement, comme le glissement, implique également le mouvement du corps. La force de frottement de roulement fait un travail négatif, ralentissant la rotation initiale du corps. Puisque nous parlons de la rotation du corps, il convient de calculer la valeur du travail de cette force à travers le travail de sa quantité de mouvement. La formule correspondante s'écrit:
A=-Mθ où M=FtR.
Ici θ est l'angle de rotation du corps résultant de la rotation, R est la distance entre la surface et l'axe de rotation (rayon de la roue).
Problème avec la force de frottement de glissement
On sait qu'un bloc de bois se trouve sur le bord d'un plan incliné en bois. L'avion est incliné par rapport à l'horizon à un angle de 40o. Sachant que le coefficient de frottement par glissement est de 0,4, que la longueur du plan est de 1 mètre et que la masse de la barre correspond à 0,5 kg, il faut trouver le travail de frottement par glissement.
Calculez la force de frottement par glissement. Il est égal à:
Ft=mgcos(α)µt=0.59.81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Alors l'œuvre A correspondante sera:
A=-Ftl=-1.51=-1.5 J.
Problème de friction de roulement
On sait que la roue a roulé le long de la route sur une certaine distance et s'est arrêtée. Le diamètre de la roue est de 45 cm Le nombre de tours de la roue avant l'arrêt est de 100. Compte tenu du coefficient de roulement égal à 0,03, il faut trouver à quoi est égal le travail de la force de frottement de roulement. La masse de la roue est de 5 kg.
Premièrement, calculons le moment de frottement de roulement:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Si le nombre de tours effectués par la roue est multiplié par 2pi radians, alors on obtient l'angle de rotation de la roue θ. Alors la formule du travail est:
A=-Mθ=-M2pin.
Où n est le nombre de tours. En substituant le moment M et le nombre n de la condition, on obtient le travail demandé: A=- 207,87 J.
