Wrijving

Wrijving is het natuurkundige begrip dat de weerstandskracht aanduidt, die ontstaat als 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 werkt als de beweging, 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

In het 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 altijd tegengesteld gericht aan de verplaatsingsrichting. Bijvoorbeeld, als 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:

F_{w} = \frac{v}{|v|}\mu_w  F_{n}

met

$v$ : relatieve snelheid tussen beide oppervlakken;
$F_w$ : de wrijvingskracht;
$F_n$ : de normaalkracht;
$\mu_w$ : de wrijvingscoëfficient.

Coulomb wrijving (ook wel droge wrijving genoemd) is het meest eenvoudige, maar zeker niet het enige wrijvingsmodel. Visceuze wrijving (of natte wrijving) brengt expliciet de snelheidsafhankelijkheid (en niet alleen de richtingsafhankelijkheid) in rekening.

Soorten wrijving

De wrijvingscoëfficiënt hangt ook 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.
Kinetische wrijving 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.
Rolweerstand treedt op als twee voorwerpen bewegen ten opzichte van elkaar en het ene voorwerp rolt over de andere (zoals een wiel). Dit wordt gewoonlijk aangeduid met het symbool $\mu_r$ . De rolweerstand van een stalen wiel over een spoorrails, zoals bij een trein is aanzienlijk lager dan de rolweerstand van een rubber autoband over asfalt. Dit komt doordat het rubber van de band gemakkelijker vervormt en in het elastomeer warmte wordt ontwikkeld. Deze warmteontwikkeling zorgt er ook voor dat een zachte fietsband meer wrijvingskracht ervaart dan een hard opgepompte band.
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. Stick slip is heel vervelend om onder controle te houden in machines: het versnelt sleet en veroorzaakt trillingen.

De wrijvingscoëfficiënt moet experimenteel (door metingen) bepaald worden, hij kan niet worden berekend. Om de wrijvingscoëfficiënt experimenteel te bepalen kan gebruikt gemaakt 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.

Media

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. Door getijdewerking van de maan op het inwendige van de aarde veroorzaakt een vervorming. Door de inwendige wrijving warmt de aarde op.

Fysische gevolgen van wrijving

Polijsten en slijtage

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

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.

Toepassing van wrijving

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

Smering

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

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

Zie ook

Tribologie

Natuurkunde

Gourt Home::Gourt :: Wrijving