Froto

Homo sur ligna breto tiriĝas.

Frotado estas rezisto (ago aŭ efiko), kiu bremsas la glitadon inter du sin tuŝantaj objektoj.

Ekzemplo: Homo sidas sur ligna breto sur la planko. La ligna breto tiriĝu flanken:

Vertikala forto, la pezo de homo kaj breto, premas ambaŭ suben, dum horizontala forto kontraŭagas al la forto de la tiranto, kaj bremsas la movon pro la frotado inter la breto kaj la planko. La horizontala, frotada forto estas rilatigata al la vertikala, peza forto. Tiun rilato oni nomas "frotada kvociento". Ekzemple la frotada koeficiento "μ = 0,2" signifas, ke ĉe peza forto de 1000 N (maso 100kg) efikas maksimuma frotada forto de 200 N. La frotado kaŭzas, ke se oni tiras per malpli ol 200 N, la homo kaj breto ne moviĝas. Se oni tiras per pli ol 200 N kaj la objekto ekmoviĝas, necesas malpli ol 200 N por daŭrigi la movadon: la "glita frotado" de objektoj intermoviĝantaj malpli grandas ol la "glua frotado" de du objektoj fikse tuŝiĝantaj. Kompreneble la frotada kvociento malsamas depende de la tuŝiĝantaj materialoj. La supre skizita breto kun homo pli facile tiriĝas, se la planko konsistas el glaciiĝinta akvo, ol se ĝi konsistas el sablo aŭ eĉ el malglata roko.

La frotada kvociento tre dependas ne nur de la materialo de du tuŝiĝantaj objektoj, sed ankaŭ de ties furfaca malglateco, de la temperaturo, humideco kaj de eventualaj ŝtofoj inter la du objektoj (ekzemple oleo aŭ silikono). Malpli gravas la grandeco de la kontaktoareo kaj la premo, kun kiuj interpuŝiĝas la du objektoj.

Frotado estas baza fizika fakto de nia mondo: sen frotado ne eblus nodi la laĉojn de ŝuoj, nek interfiksi du objektojn per najloj aŭ ŝraŭbiloj ... aŭ, kiel dirite, sekvi kurbiĝon per veturilo.

Historio

Pluraj famaj scientistoj kaj inĝenieroj kontribuis al nia kompreno de frotado. Inter ili Leonardo da Vinci, Guillaume Amontons, John Theophilus Desaguliers, Leonhard Euler, kaj Charles-Augustin de Coulomb. Iliaj trovitaĵoj estas registritaj laŭ sekvantaj leĝoj :

1. La frotada forto estas rekte proporcia al la aplikita ŝarĝo (unua leĝo de Amontonso).
2. La frotada forto estas sendependa de la ŝajna surfaco de kontakto (dua leĝo de Amontonso); tamen tiu leĝo ne validas pri elastaj, deformeblaj materialoj (ekzemple, pli larĝaj pneŭoj de veturiloj permesas pli bonan akcelon ol mallarĝaj pneŭoj, fare de surfaca deformado de pneŭoj).
3. La kineta frotado (aŭ glita frotado) de solidaĵoj estas sendependa de la glitrapido (leĝo de Kulombo pri frotado); konraŭe al la fluida frotado, kiu estas proporcia al la relativa rapido de objekto en fluaĵo.

Leĝo de Kulombo (mekaniko)

Diagramo de fortoj pri bloko sur ebena grundo. W estas la gravita forto, N estas la reaga forto, F estas la aplikita forto, kaj F_f estas la forto de kineta frotado (tanĝa forto laŭ la supraĵo); kiam la aplikita forto estas pli granda ol la forto de kineta frotado, la bloko akceliĝas maldekstren.

En mekaniko, la leĝo de Kulombo, originita de Charles-Augustin de Coulomb, estas modelo por kalkuli la frotadan forton inter du sekaj objektoj, per la sekvanta neegalaĵo:

$F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} }\;,$

kie

• $F_{\mathrm {f} }\,$ estas la tanĝenta forto kreita de frotado,
• $\mu \,$ estas la frotada koeficiento, kiu estas empiria propreco de tuŝiĝantaj materialoj,
• $F_{\mathrm {n} }\,$ estas la normala forto de reago perpendikla al la kontaktosurfaco.

La frotada forto $F_{\mathrm {f} }\,$ valoras de nul ĝis $\mu F_{\mathrm {n} }\,$, kaj ĝia direkto laŭ la supraĵo kontraŭas la movon, kiu okazus sen frotado.

Pri senmovaj objektoj, $\mu =\mu _{\mathrm {s} }\,$, kie $\mu _{\mathrm {s} }\,$ estas la koeficiento de statika frotado. Kutime ĝi estas pli granda ol ĝia kongruanta kineta koeficiento.

La leĝo de Kulombo donas la sojlovaloron de la aplikata forto, super kiu movo komenciĝas ($F=\mu _{\mathrm {s} }F_{\mathrm {n} }\,$).

Pri intermoviĝantaj objektoj, $\mu =\mu _{\mathrm {k} }\,$ estas la koeficiento de la kineta frotado ; plej ofte $\mu _{\mathrm {k} }<\mu _{\mathrm {s} }\,$. La rapido de movo estas konstanta, sen akcelo, kiam la valoro de la aplikata forto egalas al: $F=\mu _{\mathrm {k} }F_{\mathrm {n} }\,$.

Tipa materialokombino kun alta frotada forto estas la kombino asfalto kaj gumo (de radoj): se tia frotado ne ekzistus, ne eblus per veturilo turniĝi en kurbiĝo, sed oni samkiel sur olea tavolo pluglitus rekten. Pri tia kazo, la statika koeficiento estas preskaŭ la duoblo de la kineta koeficiento , kio pravigas la uzadon de la ABS sistemo (de la germana termino Antiblockiersystem) en la veturiloj. Se la rado blokiĝus, la pneŭo glitus, varmiĝus kaj eluziĝus, dum la bremsa distanco estus pli granda ol kiam la ABS sistemo funkcias.

Energio de frotado

Laŭ la principo de konservado de energio, neniu energio malaperas dum frotado, tamen la sistemo perdas parton de ĝia energio. Energio aliiĝas de alia formo de energio al varmo. Glitanta hokedisko restiĝas, ĉar frotado transformas lian kinetan energion al varmo. Kaŭze de ties rapida distribuo sur la glacion, multaj unuaj filozofoj, inter ili Aristotelo, miskonkludis ke movantaj objektoj perdis energion sen trudaj fortoj.

Kiam objekto estas puŝita laŭ supraĵo, oni povas kalkuli la energion aliiĝitan al varmo per tiu formulo:

$E_{v}=\mu _{\mathrm {k} }\int F_{\mathrm {n} }(x)dx\,,$

kie

$F_{n}\,$ estas la normala forto,

$\mu _{\mathrm {k} }\,$ estas la koeficiento de kineta frotado,

$x\,$ estas la koordinato laŭ la objektovojo.

La energio, kiu necesas por superi la frotadan forton, transformiĝas al varmeco. Tial eblas varmigi sian haŭton, se oni frotas ĝin per la mano, kaj se oni frotas malsekan haŭton per mantuko, ne nur la ŝtofo sorbas humidon, sed ankaŭ la frotado kreas varmon, kiu vaporigas plian humidon, kaj rezulte la haŭto dum tia frotado sekiĝas.

Vidu ankaŭ

• Kulomba leĝo (Elektrostatiko)

Eksteraj ligiloj

• (angle) Coefficients of Friction - Tabeloj de koeficientoj, plus aliaj ligiloj.