Tarcie — rodzaje, wzór i zastosowania

Tarcie bywa przedstawiane jako zjawisko szkodliwe, które trzeba zwalczać. W rzeczywistości bez niego nie dałoby się chodzić, jeździć ani nawet utrzymać przedmiotu w dłoni.

Czym jest tarcie

Tarcie to siła powstająca przy styku dwóch powierzchni i przeciwdziałająca ich wzajemnemu przesuwaniu. Jej źródłem są mikroskopijne nierówności oraz przyciąganie międzycząsteczkowe.

Nawet powierzchnia wyglądająca na idealnie gładką ma w skali mikroskopowej wzniesienia i zagłębienia, które zazębiają się o siebie.

Rodzaje tarcia

• Statyczne — działa, gdy ciało jeszcze się nie porusza; największe z trzech
• Kinetyczne — podczas ruchu, mniejsze od statycznego
• Toczne — przy toczeniu, zdecydowanie najmniejsze

Dlatego ruszenie ciężkiej szafy wymaga większej siły niż jej dalsze przesuwanie. Po pokonaniu tarcia statycznego przedmiot nagle „puszcza” i przesuwa się łatwiej.

Ta sama zależność tłumaczy wynalezienie koła: tarcie toczne bywa kilkadziesiąt razy mniejsze od poślizgowego, dlatego ciężar łatwiej przetoczyć niż przeciągnąć.

Wzór

T = f · N

• T — siła tarcia
• f — współczynnik tarcia, zależny od rodzaju powierzchni
• N — siła nacisku

Zaskakująca właściwość

We wzorze nie występuje pole powierzchni styku — i to nie jest przeoczenie. Tarcie nie zależy od wielkości powierzchni, a jedynie od nacisku i rodzaju materiałów.

Cegła przesuwana po stole będzie stawiać ten sam opór niezależnie od tego, czy leży na największej, czy na najmniejszej ściance. Powód: przy mniejszej powierzchni nacisk rozkłada się na mniejszy obszar, więc styk w każdym punkcie jest silniejszy — oba efekty się znoszą.

Wyjątkiem są opony wyścigowe, gdzie w grę wchodzą dodatkowe zjawiska: odkształcanie gumy i przyleganie molekularne, nieujęte w prostym modelu.

Kiedy tarcie pomaga

• Chodzenie — bez tarcia stopa ślizgałaby się przy każdym kroku
• Hamowanie — klocki hamulcowe zamieniają energię ruchu w ciepło
• Trzymanie przedmiotów — palce nie utrzymałyby szklanki
• Wbijanie gwoździ — gwóźdź trzyma się dzięki tarciu o drewno
• Zapałki — zapalają się dzięki ciepłu z tarcia

Dlaczego opony zimowe działają

Współczynnik tarcia zależy nie tylko od materiałów, ale i od temperatury. Mieszanka gumowa opon letnich twardnieje poniżej około siedmiu stopni, przez co przylega gorzej — traci zdolność do dopasowywania się do nierówności asfaltu.

Opony zimowe mają miękką mieszankę zachowującą elastyczność w niskich temperaturach oraz gęste nacięcia bieżnika, które zwiększają liczbę krawędzi zaczepiających o śnieg. Dlatego różnica w drodze hamowania na mokrej, zimnej nawierzchni sięga kilkunastu metrów przy prędkości pięćdziesięciu kilometrów na godzinę.

Kiedy przeszkadza i jak się je zmniejsza

W maszynach tarcie oznacza straty energii i zużycie części. Zmniejsza się je przez smarowanie, łożyska toczne, gładzenie powierzchni oraz opływowe kształty przy oporze powietrza.

Skala strat bywa znaczna — w silniku spalinowym tarcie pochłania kilkanaście procent wytworzonej energii, a w skali gospodarki szacuje się, że straty związane z tarciem i zużyciem części odpowiadają za kilka procent produktu krajowego.