Tarcie – Tajemnicza siła, która psuje Ci zabawę!

Tarcie. To właśnie ta mała, niepozorna siła, która zawsze musi wtrącić swoje trzy grosze, kiedy masz ochotę posunąć coś na bok. Dosłownie. Ale spokojnie, dziś rozwiejemy wszelkie tajemnice tej "zadziornej" siły, i to w sposób, który nie tylko rozjaśni temat, ale może nawet wywoła uśmiech na Twojej twarzy!

Czym tak naprawdę jest tarcie?

Mówiąc najprościej, tarcie to siła, która stawia opór ruchowi. Wyobraź sobie, że próbujesz przesunąć kanapę (ciężką jak twoje poniedziałkowe poranki) po podłodze. Właśnie ten opór, który sprawia, że musisz wezwać przyjaciół na pomoc, to tarcie! A teraz, gdy już masz to obrazowo w głowie, przejdźmy do szczegółów – w końcu fizyka nie musi być nudna.

Dlaczego tarcie się pojawia? (Spoiler: To wszystko wina "zadziorów")

Zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego tarcie w ogóle istnieje? Czy to jakiś kaprys wszechświata? Nie do końca. Nawet najbardziej gładka powierzchnia, pod mikroskopem wygląda jak powierzchnia Księżyca – pełna "zadziorów". Te drobne nierówności między dwiema powierzchniami zahaczają o siebie, sprawiając, że przesuwanie rzeczy nie jest tak proste, jakbyśmy chcieli.

Im mocniej przyciśniesz ciało do podłoża (czyli kanapę do podłogi), tym trudniej będzie ją przesunąć – to prosta fizyka! Siła tarcia rośnie jak śniegowa kula, której nie da się zatrzymać. No, chyba że zatrzymasz kanapę na środku pokoju i powiesz "wystarczy na dziś".

Z tego wynika, że siła tarcia jest zależna od nacisku oraz od struktury powierzchni. Strukturę powierzchni opisuje się za pomocą współczynnika tarcia. O współczynniku tarcia więcej powiedziałem w poprzednim artykule ( Współczynnik tarcia).

Rodzaje tarcia – bo tarcie też ma swoje humorki

Nie każda siła tarcia jest taka sama! Tarcie lubi zaskakiwać, dlatego możemy je podzielić na dwa rodzaje:

Tarcie dynamiczne – Kiedy już coś ruszy...

To tarcie, które pojawia się, gdy ciało już się porusza. Wyobraź sobie, że wreszcie rozpędziłeś tę nieszczęsną kanapę po podłodze. Tarcie dynamiczne działa wtedy w przeciwnym kierunku do ruchu i cały czas próbuje Ci przeszkodzić w przesuwaniu tego mebla.

Tarcie statyczne – Próba ruszenia z miejsca

To tarcie pojawia się, zanim coś ruszy. Kanapa stoi jak zaklęta, a Ty wylewasz siódme poty, żeby ją w ogóle przesunąć. Tarcie statyczne to mistrz w stawianiu oporu – dlatego zawsze jest większe niż tarcie dynamiczne. Chcesz przykład? Przymarznięte sanki. Zanim je ruszysz, musisz naprawdę się postarać, ale kiedy już suną, to lecisz jak po maśle!

Jak liczyć tarcie? (Czyli kiedy fizyka staje się Twoim przyjacielem)

Pora na matematykę, ale bez obaw – to łatwiejsze niż szukanie kluczy, które zgubiłeś w kieszeni. Rozpatrzymy dwa przypadki, z którymi spotkasz się, licząc zadania z dynamiki.

1. Tarcie na płaskiej powierzchni – Najprostsza z opcji

Jeśli masz płaską powierzchnię (np. podłogę w kuchni) i coś po niej przesuwasz, siłę tarcia obliczasz w ten sposób:

Wzór na siłę tarcia:

Tarcie obliczamy mnożąc nacisk ze współczynnikiem tarcia:

T=N*f

Gdzie:

T to siła tarcia (czyli to, co Ci przeszkadza),

N to nacisk (im większa masa, tym większy nacisk),

f to współczynnik tarcia (taki magiczny współczynnik opisujący, jak zadziorna jest dana powierzchnia).

W tym przypadku, jak widzisz, 100% ciężaru wpływa na nacisk. Im większy ciężar tym większy nacisk. Skoro tak to w miejsce nacisku możemy wstawić Q, czyli ciężar:

T=Q*f

Ciężar natomiast to masa razy przemieszenie ziemskie ( jeśli znajdujemy się na ziemi)

T=m*g*f

2. Tarcie na równi pochyłej – bo kto nie lubi wyzwań?

Kiedy masz równię pochyłą (np. drogę pod górkę), sprawy się trochę komplikują, ale nadal mamy wzory, które uratują sytuację. Siła tarcia tutaj zależy od kąta nachylenia i masy ciała.

Siła tarcia w każdym przypadku czy to jest powierzchnia gładka, czy równia pochyła zawsze jest równe

T=N*f

Nacisk zawsze jest skierowany prostopadle do podłoża, po której przemieszcza się ciało, natomiast ciężar zawsze jest prostopadły do powierzchni ziemi. W przypadku równi pochyłej ciężar i nacisk się nie nakładają tak jak w pierwszym przypadku. W zadaniach zwykle będziesz znał masę oraz przyspieszenie danej planety. A skoro tak to ciężar zwykle w zadaniach będziesz znał. Zazwyczaj również będziesz znał kąt α. Znając kąt oraz wartość przeciwprostokątnej w trójkącie prostokątnym, czyli Q spokojnie możemy skorzystać z trygonometrii i przeliczyć ciężar na nacisk.

Trzeba skorzystać z cosinusa, bo cosinus to:

Przekształcając powyższe równania otrzymujemy, że nacisk jest równy:

N=cosα*Q

N= cosα*m*g

Mając już wzór na siłę nacisku w tym przypadku możemy napisać, że tarcie na równi pochyłej jest równe:

T=N*f

Wzór na siłę nacisku na równi pochyłej:

T= cosα*m*g *f

Podsumowanie – kto by pomyślał, że tarcie może być zabawne?

Tarcie to zaskakująco ciekawa siła, która wpływa na wszystko, co robimy. Od przesuwania kanap po jazdę na sankach – tarcie zawsze jest w grze! Warto znać jego tajniki, bo kto wie, może właśnie dzięki nim uda Ci się kiedyś wygrać zakład na temat fizyki?

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej (i policzyć setki takich zadań z dynamiki), zapraszam na mój kurs online – nie pożałujesz! https://fizyka-kursy.pl/kurs/dynamika-poziom-studencki