Wrijving is het grensgebied tussen evenwicht en beweging. Wrijving is al aan het eind van de 15e eeuw door da Vinci onderzocht. Hij deed dit door blokjes van verschillende materialen over een tafel te trekken en de benodigde kracht te meten. De conclusie die hij trok was:
- Hoe zwaarder het blok, des te meer wrijving
- Het maakt voor de wrijving niet uit of het blok nu rechtop of op de kant gelegd wordt.
Soorten wrijving
In het algemeen zijn er 2 soorten wrijving:
- Viskeuze wrijving
- Droge wrijving
Bij viskeuze wrijving zit er een vloeistof tussen de 2 oppervlakken. Bij droge wrijving raken de 2 oppervlakken elkaar zonder tussenkomst. Viskeuze wrijving behoort tot de stromingsleer daarom wordt binnen statica droge wrijving bestudeerd.
Ontstaan van droge wrijving
Als een blok over de vloer beweegt waarbij een oppervlak van het blok in contact is met het oppervlak van de vloer, dan heten deze oppervlakken contactvlakken.
Als er ingezoomd wordt op de contactvlakken van blok en vloer dan is te zien dat deze 2 vlakken niet perfect glad zijn, maar altijd een zekere mate van ruwheid hebben. Om het principe te snappen moet de aanname gemaakt worden dat de contactvlakken vervormbaar zijn en de rest van de blokken niet.
Wat er nu gebeurt is dat de vloer op bepaalde punten een kracht uitoefent op het blok, wat te ontbinden is in 2 componenten:
- Normaalkrachtjes die omhoog gericht zijn en al deze samen compenseren de zwaartekracht die op het blok werkt om evenwicht te krijgen.
- Wrijvingskrachtjes die naar rechts werken, die een weerstand tegen het glijden bieden en ook deze kunnen opgeteld worden om een gezamelijke wrijvingskracht te krijgen.
Wrijvingskracht, normaalkracht en de wrijvingscoefficiënt
In onderstaande situatie is een blok te zien waarop de zwaartekracht werkt, wat zich uit in kracht W die naar beneden werkt. Aan dit blok wordt getrokken met kracht F. Het blok beweegt hierdoor echter niet naar rechts en omdat deze stil staat is deze dus in evenwicht.
Kijkend naar het VLS en in acht nemend dat er evenwicht is, is het makkelijk om in te zien dat de wrijvingskracht Fw gelijk is aan F. Tevens is de reactiekracht van de grond N gelijk aan W.
Nu is het zo dat bij een bepaalde kracht F het blok toch gaat bewegen, F is dan groter dan Fw. Dit is omdat de wrijvingskracht gebonden is aan een maximum en dit maximum is weer verbonden met de normaalkracht en met de zogenaamde statische wrijvingscoefficiënt. Deze is experimenteel bepaald voor diverse materialen. Zo is er een coefficiënt voor metaal op metaal, metaal op hout enz. Deze waarde vermenigvuldigd met de normaalkracht is de maximale wrijvingskracht. In formule:
Als de trekkracht groter is dan deze Fwmax zal het blok dus gaan bewegen. Er is echter nog wel sprake van wrijving en dus ook een wrijvingskracht die weerstand biedt. Ook deze is afhankelijk van de normaalkracht en een coefficiënt, maar dit keer is het de kinetische wrijvingscoefficiënt. De wrijvingskracht bij beweging is dan:
De plaats van de normaalkracht
In bovenstaande situatie is te zien dat de normaalkracht en de kracht naar beneden niet recht tegenover elkaar staan. Dit komt omdat er voldaan moet worden aan de eis dat de momenten 0 moeten zijn. Om de plaats van de normaalkracht te bepalen moeten alle momenten om een bepaald punt bepaald worden, zodat de afstand x berekend kan worden.
Wrijvingskrachten bij hellingen
In de bovenstaande situatie is er pas een wrijvingskracht zodra er een externe kracht uitgeoefend wordt. Om evenwicht te verkrijgen moeten deze gelijk aan elkaar zijn en aan de hand daarvan kan bepaald wordenof het blok in beweging is of niet. Als het blok op een helling staat is er geen externe kracht nodig om een wrijvingskracht op te wekken, want er is immers een kracht die ervoor zorgt dat het blok bljft liggen of met weerstand naar beneden glijdt.
Bij hellingen moeten krachten ontbonden worden en vaak is het ook handig om andere (schuine) assen aan te nemen. Vaak worden assen genomen die evenwijdig zijn aan de resulterende normaal-en wrijvingskrachten.
Om te kijken wat er gebeurt als een blok op een helling staat is hieronder eentje getekend.
De zwaartekracht die op een voorwerp werkt, werkt altijd loodrecht naar beneden zoals te zien is. De normaalkracht uitgeoefend door de grond werkt loodrecht op het oppervlak. Dit is hieronder te zien.
Om dat het blok niet door de helling heen gaat is er dus evenwicht. De normaalkracht heft dus een tegengestelde kracht op. Deze kracht is een component van kracht W. De hoek tussen component en kracht W is gelijk aan de hoek van de helling dus is de grootte van de component dus cos25*W.
Kracht W is opgebouwd uit 2 componenten, dus ook de 2e component moet opgeheven worden. Nu komt de wrijvinskracht in beeld, want die is hiervoor verantwoordelijk. De component is te berekenen door middel van sin25*W.