Τριβή στις μηχανές

Φίλος και εχθρός

Κοίτα τα μηχανικά μέρη ενός αυτοκινήτου και θα βρεις δύο ειδών εξαρτήματα. Τα τακάκια, ο συμπλέκτης και ο ιμάντας του δυναμό είναι φτιαγμένα για να πιάνουν: δουλεύουν μόνο αν υπάρχει πολλή τριβή. Τα έμβολα, τα ρουλεμάν και τα γρανάζια είναι φτιαγμένα για να γλιστράνε: κάθε τριβή εκεί είναι καύσιμο που γίνεται ζέστη και μέταλλο που φθείρεται.

Η δουλειά ενός μηχανικού είναι σε μεγάλο βαθμό αυτή: να αυξάνει την τριβή όπου τη θέλει και να τη μειώνει όπου δεν τη θέλει. Για να το κάνει, πρέπει να ξέρει από τι εξαρτάται.

Από τι εξαρτάται η τριβή

Όταν δύο επιφάνειες πιέζονται η μία πάνω στην άλλη, οι μικροσκοπικές ανωμαλίες τους «πιάνονται» μεταξύ τους. Η τριβή εξαρτάται από δύο πράγματα:

• Πόσο σφιχτά πιέζονται οι επιφάνειες: η κάθετη δύναμη $N$. Σε οριζόντιο δάπεδο, $N$ είναι ίση με το βάρος $mg$.
• Από τι είναι φτιαγμένες και σε τι κατάσταση είναι (στεγνές, βρεγμένες, λαδωμένες): ο συντελεστής τριβής $\mu$, ένας καθαρός αριθμός χωρίς μονάδα.

Με καλή προσέγγιση, δεν εξαρτάται από το εμβαδόν επαφής. Ένα τούβλο σέρνεται το ίδιο δύσκολα είτε πατά στη φαρδιά είτε στη στενή του πλευρά.

Στατική τριβή και τριβή ολίσθησης

Σπρώξε ένα βαρύ ερμάριο. Στην αρχή δεν κουνιέται — η στατική τριβή μεγαλώνει όσο σπρώχνεις, ίση και αντίθετη με τη δύναμή σου. Έχει όμως όριο:

$$T_{\max} = \mu_s \cdot N$$

Μόλις το ξεπεράσεις, το ερμάριο ξεκινά, και από εκεί και πέρα αντιστέκεται η τριβή ολίσθησης, σχεδόν σταθερή:

$$T = \mu_k \cdot N$$

Ο $\mu_k$ είναι σχεδόν πάντα μικρότερος από τον $\mu_s$. Γι' αυτό το πιο δύσκολο κομμάτι είναι το ξεκίνημα: μόλις γλιστρήσει, σπρώχνεις πιο εύκολα.

Πότε ξεκινάει το κιβώτιο

Αύξησε σιγά-σιγά τη δύναμη F. Όσο το κιβώτιο μένει ακίνητο, η τριβή ακολουθεί τη δύναμή σου και η συνισταμένη μένει μηδέν. Μόλις περάσεις το μ·N, ξεκινά. Μετά δοκίμασε μεγαλύτερη μάζα ή μικρότερο μ, σαν να λάδωσες το δάπεδο.

F10 N

m2 kg

μ0,4

Ζωντανή ενημέρωση

W

20 N

N

20 N

T

8 N

Συνισταμένη

2 N

Επιτάχυνση

1 m/s²

Κατάσταση

γλιστράει

Μερικές τυπικές τιμές. Είναι ενδεικτικές: εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, τη φθορά και την καθαριότητα των επιφανειών.

Όταν την πολεμάς

Όπου η τριβή είναι απώλεια, υπάρχουν τρία εργαλεία:

• Λίπανση. Ένα λεπτό φιλμ λαδιού ή γράσου κρατάει τα μέταλλα χώρια. Κοίτα τον πίνακα: ο $\mu$ πέφτει από $0{,}6$ σε $0{,}1$.
• Κύλιση αντί για ολίσθηση. Ένας τροχός ή ένα ρουλεμάν δεν σέρνεται: κυλάει. Η αντίσταση κύλισης είναι δεκάδες φορές μικρότερη από την τριβή ολίσθησης.
• Λείανση και σωστά υλικά. Γυαλισμένες επιφάνειες, ορειχάλκινοι τριβείς, πλαστικά χαμηλής τριβής.

Και όπου η τριβή δεν μπορεί να αποφευχθεί, το αποτέλεσμά της είναι πάντα το ίδιο: η ενέργεια γίνεται θερμότητα. Γι' αυτό τα δισκόφρενα σε μεγάλη κατηφόρα ζεσταίνονται τόσο που χάνουν απόδοση, και γι' αυτό τα φορτηγά κατεβαίνουν με μικρή σχέση και «μηχανόφρενο».

Όταν τη θέλεις

Ένα αυτοκίνητο στρίβει, επιταχύνει και φρενάρει μόνο μέσω της τριβής των ελαστικών με τον δρόμο. Ένας τροχός που κυλάει χωρίς να γλιστράει χρησιμοποιεί στατική τριβή — το σημείο του ελαστικού που ακουμπά τον δρόμο είναι στιγμιαία ακίνητο. Αν ο τροχός μπλοκάρει και σέρνεται, περνάμε σε τριβή ολίσθησης, που είναι μικρότερη, και επιπλέον το τιμόνι δεν στρίβει πια το αυτοκίνητο.

Αυτό κάνει το ABS: ανοιγοκλείνει την πίεση των φρένων πολλές φορές το δευτερόλεπτο ώστε οι τροχοί να φρενάρουν δυνατά χωρίς να μπλοκάρουν.

Ας το κάνουμε μαζί

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση