Siła tarcia

Wstęp — dlaczego wszystko w końcu staje?

Zjeżdżasz sankami z górki. Na śniegu pędzisz jak rakieta, ale gdy wjedziesz na trawę — sanki gwałtownie hamują i stają.

Rozpędzasz się na rowerze i przestajesz pedałować. Rower jedzie jeszcze chwilę, ale w końcu sam się zatrzymuje. Dlaczego? Przecież nikt go nie łapie!

A zimą? Wystarczy kawałek lodu na chodniku i… hop, poślizg! Na lodzie buty „nie trzymają się" podłoża.

Za to wszystko odpowiada jedna siła — siła tarcia. W tej lekcji dowiesz się:

• czym jest tarcie i skąd się bierze,
• w którą stronę działa siła tarcia,
• od czego zależy, czy tarcie jest duże, czy małe,
• kiedy tarcie nam pomaga, a kiedy przeszkadza.

Co to jest tarcie?

Siła tarcia to siła, która przeciwdziała ruchowi (lub próbie ruchu) jednego ciała po drugim. Powstaje na styku dwóch powierzchni.

Skąd bierze się tarcie? Wyobraź sobie, że patrzysz na blat stołu przez bardzo mocną lupę. Powierzchnia, która wydaje się idealnie gładka, tak naprawdę jest pełna mikroskopijnych nierówności — małych „górek" i „dolinek".

Gdy dwa ciała stykają się ze sobą, ich nierówności zahaczają o siebie jak ząbki dwóch grzebieni. Żeby przesunąć jedno ciało po drugim, trzeba te zaczepy pokonać — i właśnie ten opór czujemy jako tarcie.

Rys. 1. W dużym powiększeniu widać, że nawet „gładkie" powierzchnie mają nierówności, które zahaczają o siebie.

W którą stronę działa tarcie?

Tu obowiązuje prosta i żelazna zasada:

Siła tarcia działa zawsze przeciwnie do kierunku ruchu ciała.

Pchasz klocek w prawo? Tarcie ciągnie go w lewo. Sanki jadą w dół górki? Tarcie działa w górę zbocza, wzdłuż śniegu. Tarcie nigdy nie popycha ciała do przodu — zawsze je hamuje.

Rys. 2. Klocek pchany w prawo: siła tarcia (czerwona strzałka) działa w lewo — przeciwnie do ruchu.

Dlatego rozpędzony rower w końcu staje: tarcie (i opór powietrza) działa przeciwnie do jego ruchu i „zjada" prędkość, aż spadnie ona do zera.

Od czego zależy tarcie?

Siłę tarcia oznaczamy symbolem $F$ i — jak każdą siłę — mierzymy w niutonach (N). Od czego zależy, czy $F$ jest duże, czy małe? Od dwóch rzeczy.

1. Rodzaj powierzchni

Im bardziej chropowate (szorstkie) są powierzchnie, tym większe tarcie. Im bardziej gładkie — tym mniejsze.

• Guma na asfalcie → duże tarcie (dlatego buty „trzymają" na chodniku).
• Metal na lodzie → małe tarcie (dlatego łyżwy tak pięknie się ślizgają).
• Sanki na śniegu → małe tarcie; sanki na trawie → duże tarcie.

Rys. 3. Na lodzie tarcie jest małe i łatwo o poślizg. Na chodniku tarcie jest duże. Bieżnik opony pomaga „trzymać się" drogi.

2. Siła dociskająca ciało do podłoża

Im mocniej ciało jest dociskane do podłoża, tym większe tarcie. Prosty test: przesuń po podłodze puste pudło, a potem to samo pudło pełne książek. Pełne stawia znacznie większy opór!

Możemy to zapisać prostymi porównaniami:

• większy docisk → większa siła tarcia $F$,
• bardziej chropowata powierzchnia → większa siła tarcia $F$,
• gładsza powierzchnia → mniejsza siła tarcia $F$.

Ciekawostka: dla klocka pchanego po podłodze tarcie praktycznie nie zależy od tego, jak dużą ścianką klocek dotyka podłogi. Liczy się docisk i rodzaj powierzchni — nie wielkość pola styku. Dokładny wzór na siłę tarcia poznasz w starszych klasach.

Tarcie — przyjaciel czy wróg?

Tarcie potrafi pomagać i przeszkadzać. Zobacz porównanie:

Co robimy, gdy tarcie przeszkadza? Smarujemy! Olej lub smar wypełnia nierówności powierzchni i tarcie maleje. Dlatego smaruje się łańcuch roweru i zawiasy drzwi.

A gdy tarcia jest za mało? Zwiększamy chropowatość — na przykład zimą posypujemy oblodzony chodnik piaskiem.

Sprawdź to sam — symulacja

Popchnij klocek z tą samą prędkością po trzech różnych powierzchniach: lodzie, drewnie i dywanie. Zobacz, jak daleko dojedzie na każdej z nich!

Zadania krok po kroku

Zadanie 1

Dlaczego zimą posypujemy oblodzony chodnik piaskiem?

Krok 1. Zastanówmy się, jaki jest problem. Lód jest bardzo gładki, więc tarcie między butem a lodem jest bardzo małe.

Krok 2. Małe tarcie oznacza, że but łatwo się ślizga — trudno się odepchnąć i łatwo o upadek.

Krok 3. Piasek jest chropowaty. Gdy posypiemy nim lód, powierzchnia staje się szorstka.

Krok 4. Szorstka powierzchnia → większe tarcie → buty „trzymają się" chodnika.

Odpowiedź: Piasek zwiększa chropowatość powierzchni, a więc zwiększa siłę tarcia — dzięki temu buty się nie ślizgają.

Zadanie 2

Dlaczego łatwiej przesunąć po podłodze pustą szafę niż pełną ubrań?

Krok 1. Przypomnijmy: tarcie zależy od siły, z jaką ciało jest dociskane do podłoża.

Krok 2. Pełna szafa jest znacznie cięższa od pustej — mocniej naciska na podłogę.

Krok 3. Większy docisk → większa siła tarcia $F$ między szafą a podłogą.

Krok 4. Żeby ruszyć szafę, musimy pokonać tarcie. Przy pełnej szafie potrzeba więc znacznie większej siły pchania.

Odpowiedź: Pełna szafa mocniej dociska do podłogi, więc tarcie jest większe — dlatego trudniej ją przesunąć.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Tarcie zależy od wielkości (pola) powierzchni styku." Nieprawda! Dla klocka pchanego po podłodze nie ma znaczenia, czy leży na dużej, czy na małej ściance. Tarcie zależy od docisku i rodzaju powierzchni, a nie od pola styku.
2. „Tarcie zawsze przeszkadza." Nieprawda! Bez tarcia nie zrobiłbyś ani jednego kroku, rower nie miałby hamulców, a długopis wyślizgiwałby się z palców. Świat bez tarcia byłby jak jedno wielkie lodowisko.
3. „Gładkie powierzchnie to zawsze zero tarcia." Nieprawda! Nawet bardzo gładkie powierzchnie mają mikroskopijne nierówności. Tarcie może być bardzo małe (jak na lodzie), ale nigdy nie znika całkowicie.
4. „Tarcie działa tylko wtedy, gdy coś się rusza." Nieprawda! Tarcie przeciwdziała także próbie ruchu. Gdy pchasz ciężką szafę, a ona ani drgnie — to właśnie tarcie ją trzyma w miejscu.

Podsumowanie

• Siła tarcia przeciwdziała ruchowi (lub próbie ruchu) i powstaje na styku dwóch powierzchni.
• Tarcie bierze się z mikroskopijnych nierówności, które zahaczają o siebie.
• Tarcie działa zawsze przeciwnie do kierunku ruchu — dlatego hamuje.
• Tarcie jest tym większe, im bardziej chropowate powierzchnie i im większy docisk do podłoża.
• Tarcie nie zależy od wielkości pola styku (dla pchanego klocka).
• Tarcie bywa pożyteczne (chodzenie, hamulce) i szkodliwe (zużycie części) — wtedy je zmniejszamy, np. smarem.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — kierunek tarcia, od czego zależy (docisk i rodzaj powierzchni) oraz kiedy pomaga, a kiedy przeszkadza: Siła tarcia — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Siła ciężkości — dlaczego wszystko spada na ziemię?
• Siła nośna — jak samolot utrzymuje się w powietrzu?
• Siła sprężystości — co „oddaje" trampolina?