Tarcie toczne

Tarcie suche to naprawdę świetna sprawa. O ile tarcie statyczne lub kinetyczne, nazywane również ślizgowym, jest dość proste do wytłumaczenia o tyle tarcie toczne to już trochę inna sprawa. Jednak nie przejmujmy się tym i postarajmy chociaż trochę zrozumieć czym jest tarcie toczne i kiedy ono następuje.

Tarcie toczne

Mimo, że każdy z nas chyba zdaje sobie sprawę czym jest toczenie i instynktownie możemy coś jako toczenie zaklasyfikować powiedzmy sobie co pod tym słowem kryje się według nauki. Aby to wytłumaczyć zapomnijmy na chwile, że ciała się odkształcają i rozważmy przypadek toczenia się walca po płaskim podłożu.

W takim przypadku nasz walec jak i podłoże będą stykały się w jednym miejscu a punkt styku będzie się przesuwał w miarę toczenia się walca. Oczywiście toczący się walec, czy koło samochodu obraca się wokół swojej własnej osi. Jednak, jeżeli rozważymy to dokładniej można wykazać, że ten punkt styku jest jednocześnie punktem, wokół którego obraca się cały walec. Ponieważ zaś ten punkt zmienia się co chwile nazywamy go chwilowym środkiem obrotu. Jeżeli zaś na styku dwóch ciał możemy taki chwilowy środek obrotu wyznaczyć to mamy do czynienia z tarciem tocznym.

 

Rysunek 1. Chwilowy środek obrotu w przypadku rzeczywistym i idealnym

Wydaje się skomplikowane? Mi też, a to jeszcze nie koniec. Ponieważ żeby móc mówić o tarciu tocznym musimy zapomnieć, że ciała się nie odkształcają. Każdy z nasz widział chyba oponę samochodu i wie, że miejsce styku z podłożem jest spłaszczone., prawda? I właśnie to sprawia, że istnieje tarcie toczne. Odkształcalność któregoś albo dwóch stykających się materiałów (na przykład koła i asfaltu).

Bowiem jako współczynnik tarcia tocznego rozumiemy odległość o jaką przesunął się chwilowy środek obrotu od osi.

W tym punkcie występują wszystkie siły wynikające z wzajemnego oddziaływania na siebie oby dwóch ciał (siła nacisku, siła tarcia tocznego) jednak ich rozpisanie wymaga już znajomości fizyki na poziomie rozszerzonym (szkoły średniej) a dokładnie znajomości i umiejętności wyliczania momentów sił. Podkreślmy, że siła tarcia tocznego nie jest równa sile tarcia kinetycznego, a wyliczenie jej wartości wymaga wyznaczenia jej z równania sił lub dla układów w ruchu przyśpieszonym z zasady d'Alemberta (pozdro dla ludzi znających tą zasadę). Siła tarcia tocznego jest więc bezpośrednio zależna od współczynnika tarcia tocznego ale i od parametrów toczącego się przedmioty np. jego średnicy.

Rysunek 2. Siły w przypadku tarcia tocznego
[Źródło 2]

 

W tym miejscu warto powiedzieć również czym jest poślizg. Kojarzycie buksowanie kół (to chyba nie jest oficjalne słowo)? Gdy ruszacie na mokrej powierzchni albo na piasku a koła kręcą się w miejscu. To właśnie jest poślizg. Sytuacja, gdy siłą tarcia tocznego jest niewystarczająca i połączenie między kołem i podłożem zostaje zerwane. Oczywiście tak zwane buksowanie jest sytuacją skrajną, gdy samochód w ogóle albo prawie w ogóle nie porusza się do przodu, najczęściej jednak mamy do czynienia z sytuacją, gdy poślizg jest niewielki i w praktyce możemy go pominąć.

Podsumowując od czego zależy współczynnik i siła tarcia tocznego i co się na nie składa?

• Odkształcalność materiałów, zarówno koła jak i podłoża;
• Rozmiar koła, a w przypadku opony jej średnica, szerokość, stopień napompowania; 
• Powierzchnia styku – w przypadku opon wielkość i grubość bieżnika, nim jest mniejszy tym mniejsze opory toczenia. 

Wpis o tarciu suchym (kinetycznym i statycznym) znajdziesz tu.

Wpis o tarciu płynnym znajdziesz tu.

 

Źródła i ciekawe linki:

1. Tribologia.eu – tarcie ciał stałych
2. Artykuł na Wikipedii
3. Agnieszka Obłąkowska-Mucha (WFIiS, AGH) - wykład
4. Zasada d'Alemberta - niestety nic ciekawego nie znalazłem w sieci, proponuje J. Miskiak, Mechanika techniczna Tom 2 Kinematyka i dynamika