Czy tarcie jest złe, skoro przeszkadza w ruchu?

To najważniejsze nieporozumienie w tym temacie. Bez tarcia nie da się zrobić kroku, zahamować rowerem ani utrzymać widelca — dlatego zimą sypie się piasek, a opony mają bieżnik. Tarcie przeszkadza dopiero tam, gdzie coś ma się kręcić długo i lekko; stąd smar w łańcuchu.

Jak pokazać tarcie w domu?

Trzy próby z tą samą książką: przeciągnięcie jej po stole, po dywanie i po tacy z odrobiną wody. Za każdym razem trzeba innej siły — a to jest dokładnie treść lekcji: tarcie zależy od rodzaju powierzchni i od tego, jak mocno są do siebie dociśnięte.

Dlaczego trudniej ruszyć niż ciągnąć dalej?

Bo tarcie statyczne (zanim ruszy) jest większe niż kinetyczne (gdy już się ślizga). Dziecko zna to z przesuwania szafki: pierwsze szarpnięcie najcięższe, potem idzie łatwiej. Warto nazwać to zjawisko przy tej okazji — inaczej zostaje w pamięci jako przypadek.

Tarcie i opory ruchu

około 12 minut

W tej lekcji1/11

Pchasz ciężką szafę. Napierasz, napierasz — nic. Nagle szafa rusza i od razu robi się lżej, choć wcale nie pchasz mocniej. Co się zmieniło w tej jednej sekundzie?

Siła tarcia

Połóż książkę na stole i lekko ją popchnij — przejedzie kawałek i stanie. Zatrzymuje ją siła tarcia: siła, która rodzi się tam, gdzie jedno ciało styka się z drugim, i zawsze przeciwstawia się ruchowi albo samej próbie ruszenia.

Książka sunie w prawo, a siła tarcia jest zwrócona w lewo — dlatego zwalnia i staje

Tarcie statyczne i kinetyczne

Tarcie występuje w dwóch odmianach.

Cecha	Tarcie statyczne	Tarcie kinetyczne
Kiedy działa	ciało jeszcze stoi	ciało już jedzie
Wartość	zmienna, aż do granicy	mniej więcej stała
Zwykle jest	większe	mniejsze

Od czego tarcie zależy

Siłę tarcia oznaczamy $T$ . Zależy ona od dwóch rzeczy:

Klocek jedzie w prawo — tarcie T jest zwrócone przeciwnie do ruchu

- od rodzaju stykających się powierzchni — guma po asfalcie trzyma mocno, stal po lodzie prawie wcale,
- od siły nacisku — im mocniej ciało dociska podłoże, tym większe tarcie. Posadź na sankach drugą osobę, a od razu poczujesz różnicę.

Na rysunku klocek jedzie w prawo. Ciągniemy go siłą $F = 30\text{ N}$ , a tarcie $T = 20\text{ N}$ jest zwrócone dokładnie przeciwnie — w lewo. Pionowa para: ciężar $F_c$ i siła $N$ , którą podłoże odpycha klocek, pokazuje, jak mocno klocek dociska stół. To od niej zależy wartość tarcia.

Od czego tarcie nie zależy

A teraz część, która zaskakuje. Siła tarcia nie zależy:

Szafa rusza z miejsca — krok po kroku

1
Szafa stoi — tarcie statyczne równoważy pchnięcie
Szafa stoi. Pchasz ją delikatnie siłą 100 N, a ona ani drgnie. Tarcie statyczne dopasowało się do twojego pchnięcia i dokładnie je równoważy.
$T = 100\text{ N},\quad F_w = 0$
2
Napierasz mocniej, 200 N. Nadal nic. Tarcie statyczne znowu urosło i znowu wyszło na zero. Dopóki może, trzyma szafę w miejscu.
$T = 200\text{ N},\quad F_w = 0$
3
Przy 250 N tarcie statyczne dobija do swojej granicy. Nie ma już zapasu, siły przestają się równoważyć i szafa rusza.
$T_{\text{max}} = 250\text{ N}$
4
Szafa jedzie — pchnięcie 180 N równoważy tarcie kinetyczne
Od tej chwili działa tarcie kinetyczne, a ono jest mniejsze: 180 N. Wystarczy więc pchać siłą 180 N — słabiej niż przed chwilą — żeby szafa jechała dalej ze stałą prędkością.
$T_k = 180\text{ N}$
Wskazówka
Dlatego najciężej jest na starcie. Potem sam czujesz, że robi się lżej — i teraz już wiesz dlaczego.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Ciągniesz sanki po poziomym śniegu siłą 60 N, a one jadą ze stałą prędkością. Ile niutonów wynosi siła tarcia?

Pułapka! Tarcie wcale nie jest wrogiem

Brzmi rozsądnie: tarcie hamuje, zdziera buty i opony, zjada energię i zamienia ją w bezużyteczne ciepło. Gdyby udało się je skasować, byłoby idealnie.

Opór powietrza — opór ruchu, którego nie widać

1
Skoczek o masie 80 kg wyskakuje z samolotu. Na początku leci wolno, powietrze prawie go nie hamuje, więc przyspiesza.
$F_c = 80\text{ kg} \cdot 10\ \frac{\text{N}}{\text{kg}} = 800\text{ N}$
2
Im szybciej leci, tym mocniej powietrze stawia opór. I tu jest różnica: opór powietrza rośnie razem z prędkością oraz zależy od pola powierzchni i kształtu ciała — inaczej niż tarcie o podłoże.
3
Opór powietrza zrównał się z siłą ciężkości — prędkość przestaje rosnąć
W pewnym momencie opór dorównuje sile ciężkości. Siły się równoważą, przyspieszanie się kończy i skoczek spada dalej ze stałą prędkością, około 50 metrów na sekundę.
$F_o = F_c = 800\text{ N}$
4
Otwiera spadochron. Powierzchnia gwałtownie rośnie, opór też, a nowa stała prędkość to już tylko około 5 metrów na sekundę. Dlatego lądowanie jest bezpieczne.
Wskazówka
Z tego samego powodu pociągi, samochody wyścigowe i kaski rowerowe mają opływowe kształty — żeby powietrze miało się o co zaczepić jak najmniej.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Jak nazywamy tarcie, które trzeba pokonać, zanim ciało w ogóle ruszy z miejsca?

Ściąga do zapamiętania

Od czego zależy siła tarcia i czym różni się tarcie statyczne od kinetycznego?

Tarcie jest zawsze zwrócone przeciwnie do ruchu. Zależy od rodzaju powierzchni i od siły nacisku, a NIE zależy od pola powierzchni styku ani (w przybliżeniu) od prędkości. Statyczne działa, zanim ciało ruszy, rośnie razem z pchnięciem i ma wartość graniczną; kinetyczne działa w ruchu i jest zwykle mniejsze — dlatego najtrudniej ruszyć z miejsca. Tarcie bywa i pożyteczne (chodzenie, hamowanie, gwóźdź w desce), i szkodliwe (zużycie części, energia tracona na ciepło). Zmniejszamy je smarem, łożyskami i kołami, zwiększamy bieżnikiem, piaskiem, kalafonią. Opór powietrza rośnie z prędkością — stąd spadochron i opływowe kształty.

Dla rodzica

Jak wytłumaczyć dziecku tarcie?

Czy tarcie jest złe, skoro przeszkadza w ruchu?: To najważniejsze nieporozumienie w tym temacie. Bez tarcia nie da się zrobić kroku, zahamować rowerem ani utrzymać widelca — dlatego zimą sypie się piasek, a opony mają bieżnik. Tarcie przeszkadza dopiero tam, gdzie coś ma się kręcić długo i lekko; stąd smar w łańcuchu.
Jak pokazać tarcie w domu?: Trzy próby z tą samą książką: przeciągnięcie jej po stole, po dywanie i po tacy z odrobiną wody. Za każdym razem trzeba innej siły — a to jest dokładnie treść lekcji: tarcie zależy od rodzaju powierzchni i od tego, jak mocno są do siebie dociśnięte.
Dlaczego trudniej ruszyć niż ciągnąć dalej?: Bo tarcie statyczne (zanim ruszy) jest większe niż kinetyczne (gdy już się ślizga). Dziecko zna to z przesuwania szafki: pierwsze szarpnięcie najcięższe, potem idzie łatwiej. Warto nazwać to zjawisko przy tej okazji — inaczej zostaje w pamięci jako przypadek.

Sprawdź się!

Na rysunku pchasz szafę siłą 200 N, a ona wciąż stoi. Gdy w końcu ruszy, pchanie od razu robi się lżejsze. Dlaczego?

Szafa jeszcze stoi: pchasz ją siłą 200 N

Ciągniemy cegłę po stole raz płasko, a raz postawioną na wąskim boku. Jak zmieni się siła tarcia?

Co stałoby się z człowiekiem w świecie zupełnie bez tarcia?

Rysunek pokazuje siły działające na skoczka w pierwszych sekundach po wyskoku z samolotu. Po pewnym czasie skoczek leci już ze stałą prędkością. Dlaczego prędkość przestaje rosnąć?

Pierwsze sekundy lotu: siły jeszcze się nie równoważą

Które z tych działań ZMNIEJSZA tarcie?

Następny temat

Praca mechaniczna