Fërkimi është një fenomen fizik me të cilin një person lufton për ta zvogëluar atë në çdo pjesë rrotulluese dhe rrëshqitëse të mekanizmave, pa të cilin, megjithatë, lëvizja e ndonjërit prej këtyre mekanizmave është e pamundur. Në këtë artikull, ne do të shqyrtojmë, nga pikëpamja e fizikës, se cila është forca e fërkimit të rrotullimit.
Cilat lloje të forcave të fërkimit ekzistojnë në natyrë?
Së pari, merrni parasysh se çfarë vendi zë fërkimi rrotullues midis forcave të tjera të fërkimit. Këto forca lindin si rezultat i kontaktit të dy trupave të ndryshëm. Mund të jenë trupa të ngurtë, të lëngshëm ose të gaztë. Për shembull, fluturimi i një avioni në troposferë shoqërohet nga prania e fërkimit midis trupit të tij dhe molekulave të ajrit.
Duke marrë parasysh trupat ekskluzivisht të ngurtë, veçojmë forcat e fërkimit të pushimit, rrëshqitjes dhe rrotullimit. Secili prej nesh vuri re: për të lëvizur një kuti në dysheme, është e nevojshme të aplikoni njëfarë force përgjatë sipërfaqes së dyshemesë. Vlera e forcës që do t'i nxjerrë kutitë nga prehja do të jetë e barabartë në vlerë absolute me forcën e fërkimit të pushimit. Kjo e fundit vepron ndërmjet pjesës së poshtme të kutisë dhe sipërfaqes së dyshemesë.
Sipasi kutia të ketë filluar lëvizjen e saj, duhet të zbatohet një forcë konstante për ta mbajtur këtë lëvizje uniforme. Ky fakt lidhet me faktin se midis kontaktit të dyshemesë dhe kutisë, forca e fërkimit rrëshqitës vepron mbi këtë të fundit. Si rregull, është disa dhjetëra për qind më pak se fërkimi statik.
Nëse vendosni cilindra të rrumbullakët me material të fortë poshtë kutisë, do të bëhet shumë më e lehtë ta lëvizni atë. Forca e fërkimit të rrotullimit do të veprojë në cilindrat që rrotullohen në procesin e lëvizjes nën kuti. Zakonisht është shumë më i vogël se dy forcat e mëparshme. Kjo është arsyeja pse shpikja e rrotës nga njerëzimi ishte një hap i madh drejt përparimit, sepse njerëzit ishin në gjendje të lëviznin ngarkesa shumë më të mëdha me pak forcë të aplikuar.
Natyra fizike e fërkimit të rrotullimit
Pse ndodh fërkimi i rrotullimit? Kjo pyetje nuk është e lehtë. Për t'iu përgjigjur kësaj, duhet të merret parasysh në detaje se çfarë ndodh me timonin dhe sipërfaqen gjatë procesit të rrotullimit. Para së gjithash, ato nuk janë krejtësisht të lëmuara - as sipërfaqja e timonit, as sipërfaqja në të cilën rrotullohet. Megjithatë, ky nuk është shkaku kryesor i fërkimit. Arsyeja kryesore është deformimi i njërit ose të dy trupave.
Çdo trup, pa marrë parasysh se nga çfarë materiali të fortë janë bërë, deformohen. Sa më e madhe të jetë pesha e trupit, aq më i madh është presioni që ushtron në sipërfaqe, që do të thotë se ai deformohet në pikën e kontaktit dhe deformon sipërfaqen. Ky deformim në disa raste është aq i vogël sa nuk e kalon kufirin elastik.
Bgjatë rrotullimit të rrotës, zonat e deformuara pas përfundimit të kontaktit me sipërfaqen rikthen formën e tyre origjinale. Sidoqoftë, këto deformime përsëriten në mënyrë ciklike me një rrotullim të ri të timonit. Çdo deformim ciklik, edhe nëse qëndron në kufirin e elasticitetit, shoqërohet me histerezë. Me fjalë të tjera, në nivelin mikroskopik, forma e trupit para dhe pas deformimit është e ndryshme. Histereza e cikleve të deformimit gjatë rrotullimit të rrotës çon në "shpërndarjen" e energjisë, e cila manifestohet në praktikë në formën e shfaqjes së një force fërkimi rrotulluese.
Rrotullimi perfekt i trupit
Nën trupin ideal në këtë rast nënkuptojmë se është i padeformueshëm. Në rastin e një rrote ideale, zona e kontaktit të saj me sipërfaqen është zero (ajo prek sipërfaqen përgjatë vijës).
Le të karakterizojmë forcat që veprojnë në një rrotë jo të deformueshme. Së pari, këto janë dy forca vertikale: pesha e trupit P dhe forca e reagimit mbështetës N. Të dyja forcat kalojnë përmes qendrës së masës (boshtit të rrotave), prandaj ato nuk marrin pjesë në krijimin e çift rrotullues. Për ta, mund të shkruani:
P=N
Së dyti, këto janë dy forca horizontale: një forcë e jashtme F që e shtyn rrotën përpara (ajo kalon përmes qendrës së masës) dhe një forcë fërkimi rrotulluese fr. Ky i fundit krijon një çift rrotullues M. Për ta, mund të shkruani barazitë e mëposhtme:
M=frr;
F=fr
Këtu r është rrezja e rrotës. Këto barazi përmbajnë një përfundim shumë të rëndësishëm. Nëse forca e fërkimit fr është pafundësisht e vogël, atëherë ajodo të krijojë ende një çift rrotullues që do të bëjë që rrota të lëvizë. Meqenëse forca e jashtme F është e barabartë me fr, atëherë çdo vlerë pafundësisht e vogël e F do të bëjë që rrota të rrotullohet. Kjo do të thotë se nëse trupi rrotullues është ideal dhe nuk përjeton deformim gjatë lëvizjes, atëherë nuk ka nevojë të flitet për ndonjë forcë fërkimi rrotulluese.
Të gjithë trupat ekzistues janë realë, domethënë ata përjetojnë deformim.
Rrotullimi i vërtetë i trupit
Tani konsideroni situatën e përshkruar më sipër vetëm për rastin e trupave realë (të deformueshëm). Zona e kontaktit midis rrotës dhe sipërfaqes nuk do të jetë më zero, do të ketë një vlerë të kufizuar.
Le të analizojmë forcat. Le të fillojmë me veprimin e forcave vertikale, domethënë peshën dhe reagimin e mbështetjes. Ata janë ende të barabartë me njëri-tjetrin, d.m.th.:
N=P
Megjithatë, forca N tani vepron vertikalisht lart jo përmes boshtit të rrotës, por është zhvendosur pak nga ai me një distancë d. Nëse e imagjinojmë zonën e kontaktit të rrotës me sipërfaqen si sipërfaqen e një drejtkëndëshi, atëherë gjatësia e këtij drejtkëndëshi do të jetë trashësia e rrotës dhe gjerësia do të jetë e barabartë me 2d.
Tani le të kalojmë në shqyrtimin e forcave horizontale. Forca e jashtme F ende nuk krijon një çift rrotullues dhe është e barabartë me forcën e fërkimit fr në vlerë absolute, që është:
F=fr.
Momenti i forcave që çojnë në rrotullim do të krijojë fërkim frdhe reagimin e mbështetjes N. Për më tepër, këto momente do të drejtohen në drejtime të ndryshme. Shprehja përkatëse ështëlloji:
M=Nd - frr
Në rastin e lëvizjes uniforme, momenti M do të jetë i barabartë me zero, kështu që marrim:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
Barazia e fundit, duke marrë parasysh formulat e shkruara më sipër, mund të rishkruhet si më poshtë:
F=d/rP
Në fakt, morëm formulën kryesore për të kuptuar forcën e fërkimit të rrotullimit. Më tej në artikull do ta analizojmë.
Koeficienti i rezistencës në rrotullim
Ky koeficient është paraqitur tashmë më lart. U dha edhe një shpjegim gjeometrik. Po flasim për vlerën e d. Natyrisht, sa më e madhe kjo vlerë, aq më i madh është momenti që krijon forca e reagimit të suportit, e cila pengon lëvizjen e timonit.
Koeficienti i rezistencës së rrotullimit d, në ndryshim nga koeficientët e fërkimit statik dhe rrëshqitës, është një vlerë dimensionale. Ajo matet në njësi të gjatësisë. Në tabela, zakonisht jepet në milimetra. Për shembull, për rrotat e trenit që rrotullohen në shina çeliku, d=0,5 mm. Vlera e d varet nga fortësia e dy materialeve, ngarkesa në timon, temperatura dhe disa faktorë të tjerë.
Koeficienti i fërkimit të rrotullimit
Mos e ngatërroni me koeficientin e mëparshëm d. Koeficienti i fërkimit të rrotullimit shënohet me simbolin Cr dhe llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:
Cr=d/r
Kjo barazi do të thotë se Cr është pa dimension. Është ajo që jepet në një numër tabelash që përmbajnë informacion mbi llojin e konsideruar të fërkimit. Ky koeficient është i përshtatshëm për t'u përdorur për llogaritjet praktike,sepse nuk përfshin njohjen e rrezes së rrotës.
Vlera e Cr në shumicën e rasteve është më e vogël se koeficientët e fërkimit dhe pushimit. Për shembull, për gomat e makinave që lëvizin në asf alt, vlera e Cr është brenda disa të qindtave (0,01 - 0,06). Megjithatë, rritet ndjeshëm kur përdorni goma të shpuara në bar dhe rërë (≈0.4).
Analiza e formulës që rezulton për forcën fr
Le të shkruajmë përsëri formulën e mësipërme për forcën e fërkimit të rrotullimit:
F=d/rP=fr
Nga barazia del se sa më i madh të jetë diametri i rrotës, aq më pak forcë F duhet të zbatohet në mënyrë që ajo të fillojë të lëvizë. Tani e shkruajmë këtë barazi përmes koeficientit Cr, kemi:
fr=CrP
Siç mund ta shihni, forca e fërkimit është drejtpërdrejt proporcionale me peshën e trupit. Për më tepër, me një rritje të konsiderueshme të peshës P, vetë koeficienti Cr ndryshon (rritet për shkak të rritjes në d). Në shumicën e rasteve praktike Cr qëndron brenda disa të qindtave. Nga ana tjetër, vlera e koeficientit të fërkimit të rrëshqitjes qëndron brenda disa të dhjetave. Meqenëse formulat për forcat e fërkimit të rrotullimit dhe rrëshqitjes janë të njëjta, rrotullimi rezulton të jetë i dobishëm nga pikëpamja energjetike (forca fr është një rend i madhësisë më pak se forca rrëshqitëse në situatat më praktike).
Gjendja e rrotullimit
Shumë prej nesh e kanë përjetuar problemin e rrëshqitjes së rrotave të makinës kur ngasin në akull ose b altë. Pse eshte kjondodh? Çelësi për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje qëndron në raportin e vlerave absolute të forcave të fërkimit të rrotullimit dhe pushimit. Le të shkruajmë përsëri formulën e përsëritur:
F ≧ CrP
Kur forca F është më e madhe ose e barabartë me fërkimin e rrotullimit, atëherë rrota do të fillojë të rrotullohet. Megjithatë, nëse kjo forcë tejkalon vlerën e fërkimit statik më herët, atëherë rrota do të rrëshqasë më herët se rrotullimi i saj.
Kështu, efekti i rrëshqitjes përcaktohet nga raporti i koeficientëve të fërkimit statik dhe fërkimit të rrotullimit.
Mënyra për të luftuar rrëshqitjen e rrotave të makinës
Fërkimi rrotullues i një rrote makine në një sipërfaqe të rrëshqitshme (për shembull, në akull) karakterizohet nga koeficienti Cr=0,01-0,06. Megjithatë, vlerat e e njëjta renditje është tipike për koeficientin e fërkimit statik.
Për të shmangur rrezikun e rrëshqitjes së rrotave, përdoren goma speciale "dimërore", në të cilat vidhosen thumba metalike. Këto të fundit, duke u përplasur në sipërfaqen e akullit, rrisin koeficientin e fërkimit statik.
Një mënyrë tjetër për të rritur fërkimin statik është të modifikoni sipërfaqen në të cilën lëviz rrota. Për shembull, duke e spërkatur me rërë ose kripë.
