Η στατική τριβή είναι μια δύναμη που αντιστέκεται στην κίνηση δύο αντικειμένων μεταξύ τους όταν τα αντικείμενα βρίσκονται αρχικά σε ηρεμία. Ένα απλό παράδειγμα είναι ένα ξύλινο μπλοκ που κάθεται σε μια ράμπα — πρέπει να εφαρμοστεί μια δύναμη για να κάνει το μπλοκ να γλιστρήσει κάτω από τη ράμπα. Ένας άλλος όρος, κινητική τριβή, ισχύει για τη δύναμη που αντιτίθεται σε αντικείμενα που ήδη κινούνται μεταξύ τους. Η ισχύς αυτών των δυνάμεων μπορεί να υπολογιστεί και είναι γνωστή ως συντελεστής τριβής. Σε πραγματικές καταστάσεις, ο συντελεστής στατικής τριβής βρίσκεται σχεδόν πάντα μεγαλύτερος από αυτόν της κινητικής, αλλά σε προσεκτικά ελεγχόμενα πειράματα, όπου οι επιφάνειες των αντικειμένων έχουν καθαριστεί σχολαστικά, τα δύο είναι γενικά τα ίδια.
Συνήθως, καθώς αυξάνεται η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο σε μια επιφάνεια, η στατική δύναμη τριβής θα αυξηθεί αρχικά για να ταιριάζει με αυτό, έτσι ώστε το αντικείμενο να μην κινείται. Μετά από ένα ορισμένο σημείο, ωστόσο, το αντικείμενο θα αρχίσει να κινείται, και σε αυτό το σημείο, η δύναμη τριβής θα πέσει, έτσι ώστε να απαιτείται λιγότερη δύναμη για να διατηρηθεί το αντικείμενο σε κίνηση. Για παράδειγμα, η δύναμη τριβής μπορεί να ταιριάζει με την εφαρμοζόμενη δύναμη έως και 50 N — η δύναμη μετριέται σε Newton (N) — αλλά στη συνέχεια, μπορεί να πέσει στα 40 N. Επομένως, απαιτείται δύναμη λίγο μεγαλύτερη από 50 N για να ληφθεί το αντικείμενο κινείται, αλλά στη συνέχεια, λίγο πάνω από 40 N θα αρκούν.
Υπολογισμός του Συντελεστή
Οι στατικοί συντελεστές τριβής μπορούν να υπολογιστούν για οποιοδήποτε στερεό υλικό ή ζεύγος υλικών. Επομένως, μια τιμή συντελεστή μπορεί να ισχύει για ξύλο σε ξύλο, χάλυβα σε χάλυβα ή χάλυβα σε ξύλο. Ένας τρόπος υπολογισμού της τιμής για ένα ζεύγος υλικών είναι να τοποθετήσετε ένα μπλοκ από ένα υλικό σε μια ράμπα κατασκευασμένη από το άλλο — για ένα μόνο υλικό, το μπλοκ και η ράμπα θα είναι κατασκευασμένα από την ίδια ουσία. Η κλίση στη ράμπα αυξάνεται σταδιακά, έως ότου το μπλοκ γλιστρήσει προς τα κάτω. Η γωνία στην οποία συμβαίνει αυτό μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του συντελεστή στατικής τριβής.
Στον συντελεστή, όταν χρησιμοποιείται σε τύπους και εξισώσεις, δίνεται το σύμβολο μ — το ελληνικό γράμμα mu. Συνήθως χρησιμοποιείται ένας δείκτης για τη διάκριση των δύο: το μs υποδηλώνει στατική τριβή, ενώ το μk σημαίνει κινητική τριβή. Για παράδειγμα, το μs για τον χάλυβα σε χάλυβα είναι 0.74, ενώ το μk για αυτό το υλικό είναι 0.57. Αυτές οι τιμές είναι για τυπικές καταστάσεις της πραγματικής ζωής και μπορεί να διαφέρουν λίγο, ανάλογα με τις περιστάσεις. Δεδομένου ότι η τιμή μs μπορεί να επηρεαστεί από επιφανειακές ανωμαλίες, βρωμιά και ίχνη άλλων ουσιών, η τιμή μk θεωρείται πιο ακριβής και είναι αυτή που συνήθως δίνεται όταν απαιτείται ένας απλός συντελεστής τριβής.
Παράγοντες που επηρεάζουν την τριβή
Διάφοροι παράγοντες συμβάλλουν στη στατική τριβή, αλλά συνήθως ο πιο σημαντικός είναι η τραχύτητα των επιφανειών. Ακόμη και όταν λειαίνονται, τα διάφορα υλικά θα διαφέρουν ως προς τις λεπτές λεπτομέρειες των επιφανειών τους. Πρακτικά, καμία επιφάνεια δεν είναι εντελώς λεία, αλλά ορισμένες θα έχουν μεγαλύτερες ανωμαλίες από άλλες. Η διαφορά είναι προφανής, σε ορισμένες περιπτώσεις: για παράδειγμα, ένα μεταξωτό φύλλο έχει πολύ λεία υφή που δημιουργεί λιγότερη τριβή, ενώ ένας στεγνός ασφαλτοστρωμένος δρόμος είναι τραχύς, δημιουργώντας μεγαλύτερη αντίσταση στην κίνηση. Άλλοι παράγοντες περιλαμβάνουν την ηλεκτροστατική έλξη και τους τύπους ασθενών χημικών δεσμών που μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ των επιφανειών.
Παραδείγματα
Πολλοί άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με τη στατική τριβή, καθώς την αντιμετωπίζουν σχεδόν σε καθημερινή βάση. για παράδειγμα, είναι στη δουλειά όταν κάποιος σύρει ένα βιβλίο σε ένα τραπέζι. Αρχικά, χρειάζεται να ασκηθεί μικρή δύναμη για να κινηθεί το βιβλίο, αλλά μόλις κινηθεί, μπαίνει στο παιχνίδι η κινητική τριβή και θα απαιτηθεί λιγότερη προσπάθεια για να κινηθεί. Η απαιτούμενη ποσότητα δύναμης μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με τις περιστάσεις. Για παράδειγμα, εάν ένα βιβλίο έχει ένα εξώφυλλο βιβλιοθήκης και έχει υγρασία, το βρεγμένο βιβλίο θα χρειαστεί περισσότερη δύναμη για να μετακινηθεί, ενώ ένα ολοκαίνουργιο βιβλίο με χαρτόδετο βιβλίο μπορεί να γλιστρήσει πολύ εύκολα σε ένα στεγνό ξύλινο τραπέζι με βερνικωμένη επιφάνεια.
Διατίθενται πίνακες στατικών και κινητικών συντελεστών τριβής για πολλά κοινά υλικά και συνδυασμούς τους. Μια υψηλότερη τιμή υποδηλώνει μεγαλύτερη τριβή, έτσι ώστε να απαιτείται περισσότερη δύναμη για να προκληθεί κίνηση. Για παράδειγμα, το μs για το αλουμίνιο στο αλουμίνιο είναι 1.05 – 1.35, το οποίο είναι πολύ υψηλό, ενώ η τιμή για το πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) στο PTFE είναι 0.04, το οποίο είναι εξαιρετικά χαμηλό και το κάνει πολύ ολισθηρό. Είναι δύσκολο να σπρώξετε ένα σταματημένο αυτοκίνητο σε κίνηση λόγω της σκόπιμης τριβής μεταξύ των ελαστικών και του εδάφους. Αυτό επιτρέπει στον οδηγό περισσότερο έλεγχο και κάνει το αυτοκίνητο λιγότερο πιθανό να γλιστρήσει.
Υπολογισμός της απόστασης φρεναρίσματος
Ένα παράδειγμα εφαρμογής της στατικής τριβής είναι ο υπολογισμός της απόστασης θραύσης για ένα αυτοκίνητο σε δεδομένη ταχύτητα και σε συγκεκριμένες συνθήκες. Σε κανονικές συνθήκες, όταν τα ελαστικά στρίβουν στο δρόμο, ισχύει η στατική και όχι κινητική τριβή. Το μs για ένα στεγνό ελαστικό σε στεγνό δρόμο είναι περίπου 1.00, ενώ η τιμή για ένα βρεγμένο ελαστικό σε βρεγμένο δρόμο είναι μόνο 0.2 — αυτό σημαίνει ότι η απόσταση θραύσης θα είναι πέντε φορές μεγαλύτερη σε βρεγμένο οδόστρωμα. Σε ξηρές συνθήκες, ένα αυτοκίνητο που ταξιδεύει με 31 μίλια την ώρα (50 χλμ/ώρα) έχει απόσταση πέδησης 33 πόδια (10 μέτρα), ενώ σε υγρές συνθήκες, η απόσταση φρεναρίσματος θα είναι 164 πόδια (50 μέτρα). Όταν τα ελαστικά ολισθαίνουν, αντί να κυλιούνται, κατά μήκος της επιφάνειας – όπως μπορεί να συμβαίνει σε συνθήκες παγετού – είναι η κινητική τριβή που είναι σημαντική.