Statik ve Kinetik Sürtünme Nedir?

tarafından
71
Statik ve Kinetik Sürtünme Nedir?

Mevzu Anlatımı – Mevzu Anlatımı ve toplumsal içerik platformu

PDF indir

Sürtünme, bağıl harekete direnen bir kuvvettir ve cisimler arasındaki arayüzde, bununla birlikte sıvılarda olduğu benzer biçimde cisimlerin içinde de meydana gelir. Sürtünme katsayısı terimi ilk olarak Leonardo da Vinci tarafınca formüle edilmiştir. Sürtünme katsayısının büyüklüğü, yüzeylerin özellikleri, çevre, yüzey özellikleri, yağlayıcının varlığı vb. ile belirlenir.

Statik ve Kinetik Sürtünme

Sürtünme Kanunları

Beş sürtünme yasası vardır ve bunlar:

  • Hareket eden cismin sürtünmesi düzgüsel kuvvetle orantılı ve diktir.
  • Cismin maruz kalmış olduğu sürtünme, temas etmiş olduğu yüzeyin doğasına bağlıdır.
  • Bir temas alanı olduğu sürece, sürtünme temas alanından bağımsızdır.
  • Kinetik sürtünme hızdan bağımsızdır.
  • Statik sürtünme katsayısı, kinetik sürtünme katsayısından büyüktür.

Herhangi bir cismi gördüğümüzde pürüzsüz yüzeyi görebiliriz sadece aynı cisme mikroskop altında bakıldığında pürüzsüz görünen cismin bile pürüzlü kenarları olduğu görülebilir. Mikroskopta minik tepeler ve oluklar görülebilir ve bunlar yüzeyin düzensizlikleri olarak bilinir. Böylece, bir nesne ötekinin üstünde hareket ettirildiğinde, yüzeydeki bu düzensizlikler dolanarak sürtünmeye niçin olur. Pürüzlülük arttıkça düzensizlikler ve uygulanan kuvvet de artar.

Statik sürtünme

Statik sürtünmenin nedenleriyle ilgili birkaç kuram vardır ve bir çok sürtünme ile ilgili kavram benzer biçimde, her biri bazı koşullar altında geçerliliğini kanıtlar, sadece öteki koşullarda başarısız olur. Gerçek dünya uygulamaları için (bilhassa endüstriyel makine ve hareketle ilgili olanlar). Statik sürtünmenin ardındaki en yaygın olarak kabul edilen iki teoriyi denetlemek, yüzeylerin mikroskobik pürüzlülüğü ile ilgilidir.

Bir yüzeyin ne kadar “muhteşem” şekilde işlendiği, bitirildiği ve temizlendiğine bakılmaksızın, kaçınılmaz olarak pürüzler olacaktır – esasen bir dağ silsilesi benzer biçimde tepeler ve vadilerden oluşan “pürüzlülük”. (Teknik olarak “tepeler” pürüzlerdir.) İki yüzey temas halindeyken, bunların geniş, iyi tanımlanmış bir temas alanına haiz oldukları görünebilir, sadece gerçekte, temas yalnızca belirli yerlerde gerçekleşir – kısaca, her iki yüzeyin pürüzleri karışır.

Pürüzler arasındaki bu minik temas alanlarının toplamı, “gerçek” yada “etkili” temas alanı olarak adlandırılır. Bu bireysel temas alanları oldukça minik olduğundan, bu noktalarda yüzeyler arasındaki tazyik (tazyik = kuvvet ÷ alan) oldukça yüksektir. Bu aşırı tazyik, moleküler düzeyde meydana gelen soğuk kaynak olarak malum bir işlem kanalıyla yüzeyler içinde yapışmanın gerçekleşmesine izin verir. Yüzeyler birbirine nazaran hareket etmeden ilkin bu yapışmaya yol açan bağların kırılması gerekir.

Statik sürtünme
Statik sürtünme

Ek olarak yüzeylerin pürüzlülüğü, bazı yerlerde bir yüzeyin pürüzlerinin öteki yüzeyin vadilerine yerleşeceği, kısaca yüzeylerin birbirine kenetleneceği anlamına gelir.

Bu kilitli alanlar, yüzeyler hareket etmeden ilkin kırılmalı yada plastik olarak deformasyona uğramış edilmelidir. Başka bir deyişle, aşınma meydana gelmelidir. Bundan dolayı, bir çok uygulamada statik sürtünme, temas eden yüzeylerin hem yapışmasından hem de aşınmasından doğar.

Statik Sürtünme Kanunları

Statik sürtünmenin iki yasası vardır:

  1. Birinci yasa: Statik sürtünmenin maksimum kuvveti, temas alanına bağlı değildir.
  2. İkinci yasa: Maksimum statik sürtünme kuvveti düzgüsel kuvvetle karşılaştırılır, kısaca düzgüsel kuvvet artarsa, cismin hareket etmeden dayanabileceği maksimum dış kuvvet de artar.
Statik Sürtünme Kanunları
Statik Sürtünme Kanunları

Statik sürtünme formülü için türetme

Şekilde gösterildiği benzer biçimde yatay bir yüzey üstünde yatan bir mg ağırlık bloğunu ele alalım. Bir cisim bir yüzeye bastırdığında, yüzey sert görünse bile deformasyona uğramış olur. Bozulma olmuş yüzey, gövdeyi yüzeye dik olan düzgüsel bir R kuvveti ile iter. Buna düzgüsel tepki kuvveti denir. mg dengeler kısaca 

R = mg

Şimdi bloğa bir P kuvvetinin uygulandığını düşünelim. Açıkça, cisim hareketsiz kalır bundan dolayı yatay yönde başka bir F kuvveti devreye girer ve uygulanan kuvvet P’ye karşı çıkar ve cisim üstünde net kuvvet sıfır olur. Masa yüzeyi ile temas halinde olan cismin yüzeyi süresince etkiyen bu F kuvvetine sürtünme kuvveti denir.

Doğrusu vücut hareket etmediği sürece F = P. Bu, P’yi artırırsak, F sürtünmesinin de arttığı, her süre P’ye eşit kalacağı anlamına gelir.

Gerçek hareket başlayana kadar devreye giren bu sürtünme kuvveti, statik sürtünme olarak bilinir.

Statik Sürtünme Katsayısı

Statik Sürtünme, bir nesne bir yüzeye yerleştirildiğinde yaşanmış olan sürtünmedir. Ve kinetik sürtünme, bir nesnenin bir yüzey üstündeki hareketinden doğar. Sürtünme, sürtünme katsayısı ile iyi karakterize edilir ve sürtünme kuvveti ile düzgüsel kuvvet arasındaki oran olarak açıklanır. Bu, nesnenin bir yüzey üstünde uzanmasına destek sağlar. Statik sürtünme katsayısı skaler bir büyüklüktür ve μ s olarak gösterilir.

Statik sürtünme katsayısı formülü şu şekilde anlatılır:

mu_{s} = frac{F}{N}

Neresi

μ s​ = statik sürtünme katsayısı

F = statik sürtünme kuvveti

N = düzgüsel kuvvet

Statik sürtünme katsayısı formülü
Statik sürtünme katsayısı formülü

Kinetik sürtünme

Kinetik sürtünme, hareketli yüzeyler içinde hareket eden bir kuvvet olarak tanımlanır. Yüzeyde hareket eden bir cisim, hareketinin tersi yönünde bir kuvvete maruz kalır. Kuvvetin büyüklüğü, iki araç-gereç arasındaki kinetik sürtünme katsayısına bağlı olacaktır.

Sürtünme, kolayca kayan bir nesneyi tutan kuvvet olarak tanımlanır. Kinetik sürtünme her şeyin bir parçasıdır ve iki yada daha çok nesnenin hareketini engeller. Kuvvet, bir cismin kaymak istediği yöne zıt yönde hareket eder.

Bir arabanın durması gerekiyorsa, fren uygularız ve işte tam da bu aşamada sürtünme devreye girer. Yürürken ansızın durmak istendiğinde sürtünme yeniden teşekkür etmektir. Sadece bir su birikintisinin ortasında durmak zorunda kaldığımızda, sürtünme daha azca olduğundan işler daha da zorlaşır ve insana pek destek olması imkansız.

Kinetik sürtünme
Kinetik sürtünme

İki yüzey arasındaki statik sürtünmenin üstesinden gelmek, hareketin önündeki hem moleküler engelleri (pürüzler arasındaki soğuk kaynak) hem de bir dereceye kadar mekanik engelleri (yüzeylerin pürüzleri ve çukurları arasındaki girişim) ortadan kaldırır. Hareket başlatıldığında, bir miktar aşınma meydana gelmeye devam eder, sadece statik sürtünme esnasında olduğundan oldukça daha düşük bir seviyede ve yüzeyler arasındaki bağıl hız, ilave soğuk kaynağın meydana gelmesi için yetersiz süre sağlar (aşırı düşük hız durumu hariç). 

Harekete niçin olmak için yapışma ve aşınmanın çoğunun üstesinden gelindiğinde, yüzeyler arasındaki harekete karşı direnç azalır ve yüzeyler artık statik sürtünmeden oldukça daha düşük olan kinetik sürtünmenin tesiri altında hareket eder.

Kinetik Sürtünme Kanunları

Kinetik sürtünmenin dört yasası vardır:

  1. Birinci yasa: Kinetik sürtünme kuvveti (F k ), temas halindeki iki yüzey arasındaki düzgüsel tepki (N) ile doğru orantılıdır. Burada, μ k​ = kinetik Sürtünme katsayısı olarak adlandırılan durağan(durgun).
  2. İkinci yasa: Kinetik sürtünme kuvveti, temas halindeki yüzeylerin şeklinden ve görünen alanından bağımsızdır.
  3. Üçüncü yasa: Temas halindeki yüzeyin doğasına ve malzemesine bağlıdır.
  4. Dördüncü yasa: Nesne ile yüzey arasındaki bağıl hızın oldukça büyük olmaması koşuluyla, temas halindeki nesnenin hızından bağımsızdır.
Kinetik Sürtünme Kanunları
Kinetik Sürtünme Kanunları

Kinetik Sürtünme Formülü

Kinetik sürtünme katsayısı, Yunanca “mu” harfiyle ( μ ) ve “k” alt simgesiyle gösterilir. Kinetik sürtünme kuvveti, bir cisme uygulanan düzgüsel kuvvetin μ k katıdır. Newton (N) cinsinden anlatılır.

Kinetik sürtünme denklemi şu şekilde yazılabilir:

Kinetik sürtünme kuvveti = (kinetik sürtünme katsayısı)(düzgüsel kuvvet)

F k = μ k ​η

Neresi,

F k = kinetik sürtünme kuvveti

μ k kinetik sürtünme katsayısı

η = düzgüsel kuvvet (Yunanca “eta” harfi)

Kinetik Sürtünme Formülü
Kinetik Sürtünme Formülü

Kinetik Sürtünme Formülünün Türetilmesi

Şekilde gösterildiği benzer biçimde yatay bir yüzey üstünde yatan bir mg ağırlık bloğunu ele alalım. Bir cisim bir yüzeye bastırdığında, yüzey sert görünse bile deformasyona uğramış olur. Bozulma olmuş yüzey, gövdeyi yüzeye dik olan düzgüsel bir R kuvveti ile iter. Buna düzgüsel tepki kuvveti denir. R = mg olan mg’ı dengeler.

Şimdi gösterildiği benzer biçimde bloğa bir P kuvvetinin uygulandığını düşünelim. Açıkça vücut hareketsiz kalır, bundan dolayı yatay yönde başka bir F kuvveti devreye girer ve uygulanan P kuvvetine karşı çıkar ve cisim üstünde net kuvvet sıfır olur. Masa yüzeyi ile temas halinde olan cismin yüzeyi süresince etkiyen bu F kuvvetine sürtünme kuvveti denir.

Doğrusu vücut hareket etmediği sürece F = P. Bu, P’yi arttırırsak, sürtünme F’nin de artacağı ve daima P’ye eşit kalacağı anlamına gelir.

Uygulanan kuvveti, sürtünmeyi sınırlamanın birazcık ötesinde arttırdığımızda, aslolan hareket adım atar. Bu, sürtünmenin ortadan kalktığı anlamına gelmez. Bu yalnız kuvvetin sınırlayıcı sürtünmeyi yendiği anlamına gelir. Bu aşamadaki bu sürtünme kuvveti, Kinetik sürtünme yada Dinamik sürtünme olarak bilinir.

Kinetik sürtünme yada dinamik sürtünme, vücut üstünde fiilen başka bir cismin yüzeyi üstünde hareket ederken devreye giren karşıt kuvvettir.

Statik ve Kinetik Sürtünme Uygulaması

Statik ve Kinetik Sürtünme Uygulaması
Statik ve Kinetik Sürtünme Uygulaması

Statik Sürtünme Uygulamaları

Statik sürtünmenin gerçek yaşamdan bazı örnekleri aşağıdaki noktalarda verilmiştir:

  • Masa üstü kağıtlar
  • Bir rafta asılı bir havlu
  • Bir kitaptaki yer imi
  • Tepede park etmiş bir otomobil

Kinetik Sürtünme Uygulamaları

Bazı gerçek yaşamdan kinetik sürtünme örnekleri aşağıdaki noktalarda verilmiştir.

  • Sürtünme, iki nesnenin sürtünmesi benzer biçimde günlük vakalarda da büyük bir rol oynar. Ortaya çıkan hareket ısıya dönüşür ve bundan dolayı bazı durumlarda yangına niçin olur.
  • Bununla birlikte aşınma ve yıpranmadan da mesuldür ve bundan dolayı sürtünmeyi azalttığı için makine parçalarını yağlamak için yağa ihtiyacımız vardır.
  • İki nesne birbirine sürtüldüğünde, sürtünme kuvveti termal enerjiye dönüştürülür ve bazı durumlarda yangına niçin olur.
  • Kinetik sürtünme, makine parçalarının aşınmasından ve yıpranmasından mesuldür, bundan dolayı makine parçalarının yağ ile yağlanması önemlidir.

Statik ve Kinetik Sürtünme Arasındaki Fark

Statik sürtünmeKinetik sürtünme
Statik sürtünme, birbirine nazaran hareket etmeyen iki yada daha çok nesne içinde mevcut olan sürtünmedir.Kinetik sürtünme, birbirine nazaran hareket halindeki iki yada daha çok nesne içinde mevcut olan sürtünmedir.
Statik sürtünmenin büyüklüğü, katsayısının daha büyük kıymeti sebebiyle daha büyüktür. Kinetik sürtünmenin büyüklüğü, katsayısının düşük değerinden dolayı nispeten daha azdır.
Statik sürtünmeyi temsil eden denklem şu şekilde verilir: F s = μ s​ ηKinetik sürtünmeyi temsil eden denklem şu şekilde verilir: F k = μ k​ η 
Statik ve Kinetik Sürtünme Arasındaki Fark

Statik ve Kinetik Sürtünmeye Dayalı Örnek Problemler

Sual 1: Bir adam 75,0 kilogram kütleli büyük kartonu yere itiyor.

Çözüm:

Kinetik sürtünme katsayısı μ k = 0,520

İşçi ileriye doğru 400.0 N’luk bir kuvvet uyguluyor.

Sürtünme kuvvetinin büyüklüğü nedir?

Yanıt: Düz bir yüzeyde, bir cismin düzgüsel kuvveti formülle bulunabilir.

η = mg

F k = μ k​ η denklemindeki η kıymetini değiştirerek, şunu elde ederiz:

F k = (0.520) (75.0kg) (9.80m/sn 2 ) = 382.2N

Sual 2: Yukarıdaki soruda kutuyu hareket ettiren net kuvveti hesaplayınız?

Çözüm:

Bir cisme tesir eden net kuvvet, cisme tesir eden tüm kuvvetlerin toplamıdır.

Bu durumda cisme tesir eden kuvvetler, insanoğlunun uyguladığı kuvvet ve zıt yönde hareket eden kinetik sürtünmedir.

İleriye doğru hareket pozitif kabul edilirse net kuvvet şu şekilde hesaplanır:

F net = F işçi – F k

Yukarıdaki denklemdeki değerleri yerine koyarsak,

F net = 400 N – 382.2 N = 17.8 N

Sual 3: Yuvarlanma hareketinde niçin sürtünme oluşur?

Cevap vermek:

Teoride, bir top yüzeyle nokta teması yapar.

Sadece gerçekte bilye (ve/yada yüzey) yük sebebiyle deformasyona uğramış olur ve temas alanı elips şeklinde olur.

Teoride, bir çok döner ve lineer yatakta (düz yataklar hariç) bulunanlar benzer biçimde yuvarlanan yüzeyler sürtünme güçleriyle karşılaşmamalıdır.

Sadece gerçek dünya uygulamalarında yuvarlanan yüzeylerde üç unsur sürtünmeye niçin olur:

1. Yüzeyler içinde mikro kayma (yüzeyler birbirine nazaran kayar)

2. Malzemelerin esnek olmayan özellikleri (kısaca deformasyonu)

3. Yüzeylerin pürüzlülüğü

Sual 4: Hacmi 10 kilogram olan bir cisim düz bir yüzeye bırakılıyor. Bu iki yüzey arasındaki statik sürtünme 15 N olarak verilmiştir. Statik sürtünme katsayısını bulunuz?

Çözüm:

verilen

m = 10 kilogram

F = 30N

μ s = ?

Biz biliyoruz ki,

Düzgüsel kuvvet, N = mg

Doğrusu, N = 10× 9.81 = 98.1 N

Statik sürtünme katsayısı formülü,

μ s = F/N

μ s = 30/98.1

μ s = 0.305

Sual 5: Bir cismin düzgüsel kuvveti ve statik sürtünme kuvveti sırasıyla 50 N ve 80 N’dir. Statik sürtünme katsayısını bulunuz?

Çözüm:

verilen

N = 50 N

F = 80 N ve μ s = ?

Statik sürtünme katsayısı formülü

μ s = F/N

μ s = 80/50

μ s = 1,6

Sual 6: Statik ve kinetik sürtünme arasındaki ilişki nedir?

Cevap vermek:

Statik Sürtünme Kuvveti, durağan(durgun) bir cismi hareketsiz meblağ. Statik Sürtünme Kuvveti bir kez aşıldığında, Kinetik Sürtünme Kuvveti hareket eden bir nesneyi yavaşlatan şeydir.

Sual 7: Bir buzdolabının ağırlığı 1619 N ve statik sürtünme katsayısı 0,50’dir. Buzdolabını hareket ettirmek için kullanılan minimum kuvvet nedir?

Çözüm: 

Verilen veriler:

Buzdolabının ağırlığı, W=1619 N

W=1619 K

Statik sürtünme katsayısı, μ s = 0,50

Buzdolabını hareket ettirmek için ihtiyaç duyulan minimum kuvvet şu şekilde verilebilir:

F = μ s

F = 0,50 × 1619

F = 809.50 N.

Kaynak: https://www.geeksforgeeks.org/static-and-kinetic-friction/

Statik ve Kinetik Sürtünme Nedir? içinde ne olduğu Mevzu Anlatımı sitesinden alıntıdır.