Wrijving

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Vectoriële voorstelling van de wrijvingskracht op een blok, terwijl er een trekkracht op werkt. De normaalkracht en zwaartekracht staan ook aangeduid.

Wrijving is in de natuurkunde het verschijnsel waarbij een weerstandskracht kan ontstaan wanneer twee oppervlakken langs elkaar schuiven, terwijl ze tegen elkaar aan gedrukt worden. Wrijving kan leiden tot vormverandering en warmteproductie. De wrijvingskracht leidt zoals elke kracht tot een "versnelling". Omdat de wrijvingskracht altijd in tegengestelde richting van de beweging werkt, leidt wrijving altijd tot "negatieve versnelling" ofwel: vertraging. Een bewegend voorwerp, dat alléén wrijving en verder geen andere krachten ondervindt, gaat dus steeds langzamer bewegen tot het stil staat.

Grootte van de wrijvingskracht[bewerken]

Een blok steunt op de ondergrond, aan dat blok wordt getrokken zodat hij een snelheid v krijgt ten opzichte van die ondergrond. In dit eenvoudigste model voor wrijving is de grootte van de wrijvingskracht evenredig met de kracht waarmee de oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt (de normaalkracht); de evenredigheidsconstante noemt men de wrijvingscoëfficiënt van het grensvlak. In formulevorm:

F_{w} = \mu_{w} F_{n} \,,

met

  • F_{w} \,: de wrijvingskracht;
  • F_{n} \,: de kracht loodrecht op het oppervlak (de normaalkracht);
  • \mu_{w} \,: de wrijvingscoëfficiënt.

De wrijvingscoëfficiënt is een (dimensieloos) getal dat de mate van wrijving tussen twee lichamen aangeeft.

De wrijvingskracht is meestal tegengesteld gericht aan de verplaatsingsrichting. Als, bijvoorbeeld, een stoel naar rechts wordt geschoven oefent de vloer op de stoel een kracht naar links uit. Deze richtingsafhankelijkheid kan op de volgende manier formeel beschreven worden:

 \vec{F_{w}} = -\frac{\vec{v}}{|v|}\mu_w  F_{n} \,,

met

  • v \,: relatieve snelheid tussen beide oppervlakken;
  • F_w \,: de wrijvingskracht;
  • F_n \,: de normaalkracht;
  • \mu_w \,: de wrijvingscoëfficiënt.

De kracht die kan worden uitgeoefend zodat het blok in evenwicht blijft is echter groter, namelijk  \mu_{s} F_{n} \,. Waarbij  \mu_{s}  \, (de statische wrijvingscoëfficiënt) groter is dan  \mu_{w}  \,.

Coulombwrijving (ook wel droge wrijving genoemd ) is het eenvoudigste, maar zeker niet het enige wrijvingsmodel. Viskeuze wrijving (of natte wrijving) brengt expliciet de snelheidsafhankelijkheid (en niet alleen de richtingsafhankelijkheid) in rekening.

Soorten wrijving[bewerken]

De wrijvingscoëfficiënt hangt af van het soort wrijving. Er zijn in zijn algemeenheid drie soorten:

  • Statische wrijving treedt op als de voorwerpen niet bewegen ten opzichte van elkaar. Dit wordt gewoonlijk aangeduid met het symbool \mu_s. De kracht die nodig is om een voorwerp in beweging te brengen wordt gewoonlijk bepaald door de statische wrijving. De maximale statische wrijvingskracht is gelijk aan \mu_s maal de normaalkracht.
  • Dynamische wrijving of kinetische wrijving, ook wel glijdende wrijving genoemd, treedt op als twee voorwerpen ten opzichte van elkaar bewegen en tegen elkaar aan wrijven. Dit wordt gewoonlijk aangeduid met het symbool \mu_k, en is gewoonlijk kleiner dan de statische wrijving.
  • Stick slip is het "stuiterend" effect dat optreedt wanneer de wrijving het bewegende object eventjes tegenhoudt (stick) en dan weer laat schieten (slip); dit effect kan zich met hoge frequentie herhalen. Een voorbeeld hiervan is het bewegen van een strijkstok over een snaar om geluid voort te brengen. Stick slip is lastig onder controle te houden in machines: het versnelt slijtage en veroorzaakt trillingen.
  • Visceuze wrijving treedt op in een vloeistoflaagje als de vloeistof beweegt. Bij de meeste vloeistoffen is de wrijvingskracht hier evenredig met de snelheidsgradiënt in de vloeistof. Daardoor treedt bij visceuze smering (smering door middel van een vloeistoflaagje tussen de bewegende delen) geen schokje op bij het begin van de beweging (zoals bij statische wrijving).

De wrijvingscoëfficiënt moet experimenteel (door metingen) bepaald worden, hij kan niet worden berekend. De experimentele bepaling is meestal zeer onnauwkeurig, ook omdat de wrijvingscoëfficiënt van veel veranderlijke omgevingsfactoren afhangt (vochtigheid, vuil, enz..) Om de wrijvingscoëfficiënt experimenteel te bepalen, kan gebruikgemaakt worden van een hellend vlak. Het hellend vlak is gemaakt van het materiaal in combinatie met het materiaal van een voorwerp waartussen men de wrijvingscoëfficiënt wilt bepalen. Men brengt langzaam het hellend vlak onder helling, op het moment dat het voorwerp begint te schuiven dan meet men de hoek van het hellend vlak. De tangens van de hoek is dan de wrijvingscoëfficiënt.

Voorbeeld van wrijving[bewerken]

Wrijving kan optreden met vaste stoffen, gassen, vloeistoffen en combinaties daarvan. Zie ook aerodynamica en hydrodynamica. Een meteoriet die de dampkring binnentreedt ervaart dus wrijving door de lucht tegen het oppervlak van de meteoriet.

Wrijving treedt ook op binnen in voorwerpen die vervormd worden. Getijdenwerking van de maan op de Aarde veroorzaakt een vervorming. Door de inwendige wrijving warmt de Aarde op.

Fysische gevolgen van wrijving[bewerken]

Polijsten en slijtage[bewerken]

Wrijving kan een vormverandering tot gevolg hebben. Als dit gewenst is, wordt het polijsten genoemd. Als het ongewenst is, is er sprake van slijtage waardoor de afmetingen van het voorwerp niet langer zouden kunnen voldoen aan de tolerantie.

Een andere vorm van het gebruik van wrijving is bruneren. Deze bewerking wordt uitgevoerd met een gepolijst gereedschap dat met druk over het te bewerken oppervlak wordt bewogen. De oneffenheden worden op deze manier glad gemaakt. Het resultaat is een glad oppervlak.

Warmte[bewerken]

De energie die verbruikt wordt om wrijving te overwinnen produceert warmte. De bewegingsenergie wordt omgezet in vervorming en warmte waardoor de eigenschappen van het materiaal veranderen en daarmee ook de wrijvingscoëfficiënt zelf. Als gevolg van wrijving kunnen vaste stoffen gaan smelten. Dit vindt een toepassing in het wrijvingslassen.

Toepassing van wrijving[bewerken]

Wrijving wordt gebruikt om voorwerpen op hun plaats te houden, ook al wordt er een uitwendige kracht op uitgeoefend. Een voorbeeld hiervan is de antislipmat. Zonder statische wrijving zou er ook geen beweging kunnen zijn. Bij het lopen zorgt de statische wrijving ervoor dat de voet zich kan afzetten tegen de vloer.

Een andere belangrijke toepassing van wrijving vinden we in remsystemen.

Enkele oude methoden om vuur te maken, zijn gebaseerd op de hitte die door wrijving ontstaat, bijvoorbeeld door een stokje snel rond te draaien in een licht ontbrandbare stof.

Beperking van wrijving[bewerken]

Smering[bewerken]

Een veelgebruikte methode om wrijving te beperken is het toepassen van een smeermiddel tussen de beide oppervlakken. De wetenschap van wrijving en smering heet tribologie. Een recent ontdekt verschijnsel is supersmering. Dit is de totale afwezigheid van wrijvingskrachten tussen schuivende objecten, dat is waargenomen bij grafiet.

Smeermiddelen hoeven niet beslist dunne turbulent stromende vloeistoffen te zijn; akoestische smering treedt op als door middel van geluidstrillingen een smalle spleet wordt gecreëerd tussen de glijvlakken. Het beroemdste voorbeeld hiervan wordt gevormd door pantservoertuigen uit de Tweede Wereldoorlog die werden gesmeerd door hun eigen geknars.

Lagers[bewerken]

Bij rollagers wordt de kinetische wrijving vervangen door rolweerstand. Zie ook glijlager.

Zie ook[bewerken]

Wikibooks Wikibooks heeft een studieboek over dit onderwerp: Wrijving.