Icon up Overzicht

Wrijvingskracht

Onderwerp: Kracht en beweging, Rechtlijnige beweging

Wrijvingskrachten geven soms hinderlijk energieverlies, maar zonder wrijvingskrachten zou fatsoenlijk lopen, fietsen of autorijden onmogelijk zijn. Op een volmaakt glad vlak zou een auto niet behoorlijk kunnen wegrijden, geen bochten kunnen maken en niet kunnen afremmen. In deze bijles leer je meer over wrijvingskrachten en hoe je ze kan berekenen.

Rol- en schuifwrijving

Bij dit soort wrijving kan de wrijvingskracht variëren van 0 tot een maximale waarde, de maximale wrijvingskracht.
Bekijk de volgende animatie:

 

In de animatie heb je kunnen zien dat:

  • Als het voorwerp beweegt (of op het punt staat te bewegen), dan is Fw =Fw,max.
  • Als een voorwerp stilstaat de wrijvingskracht waarden kan aannemen tussen 0 en Fw,max

De grootte van Fw,max hangt af van de materialen die over elkaar schuiven en de grootte van de normaalkracht. Een formule waarmee je zelf de maximale wrijvingskracht kan uitrekenen is:

Fw,max = μ*Fn

In de formule is μ de wrijvingscoëfficiënt, die afhangt van de materialen en de kwaliteit van de oppervlakken. Je kan uit de formule begrijpen waarom een zware kast moeilijker te verschuiven is dan een lichte. Een zware kast heeft een grote zwaartekracht, dus ook een grote normaalkracht, dus volgens de formule hierboven ook een grote maximale wrijvingskracht.

wrijvingscoëfficiënten

De wrijvingscoëfficient μ hangt af van welke stoffen over elkaar wrijven. De waarde van μ voor ijzer op ijzer is ongeveer 1,0; die van leer op hout is 0,35 (met leren zolen op een houten vloer glijd je gemakkelijk uit!). Zie de tabel voor een aantal andere waarden van de wrijvingscoëfficiënt.

Dynamische en statische wrijvingscoëfficiënten voor verschillende contactoppervlakken.

Hierin zie je ook dat er onderscheid gemaakt wordt tussen statische (bij rust) en dynamische (bij beweging) wrijvingscoëfficiënt. De statische wrijvingscoëfficiënt is vaak (iets) groter.

En de wrijvingscoëfficiënt hangt ook af van de ruwheid van de oppervlakken. Glad gepolijste oppervlakken geven minder wrijving dan ruwe. Bij schaatsen is de wrijvingscoëfficiënt zeer laag, doordat er tussen het ijzer van de schaats en het ijs altijd een dun laagje water zit, dat als een smeeroliefilmpje werkt. Bij de zogenaamde aquaplaning van auto’s gebeurt overigens het zelfde. Als de weg flink nat is en de banden niet voldoende diep profiel hebben, kan er een laagje water tussen de banden en de weg komen, waardoor de auto bijna alle wrijving verliest. Gevolg: slippen en stuurloosheid van de auto.

Aquaplaning

Aquaplaning: als de weg extreem nat is, kan er tussen de band en het wegdek een dun laagje water komen. Er is dan bijna geen wrijving meer. Wat voor een schaatser prettig is (weinig wrijving), is voor de automobilist levensgevaarlijk.

Rolwrijving is eigenlijk behoorlijk ingewikkeld, maar ook daarvoor kan je een wrijvingscoëfficiënt gebruiken. Bij rolwrijving wordt er warmte ontwikkeld in de kogellagers, op de plaats waar de wielen de weg raken en bij vervorming van de banden. Om een band in te deuken is energie nodig. Bij het terugveren wordt niet alle energie teruggegeven, maar een gedeelte in warmte omgezet (zo’n verschijnsel heet met een geleerde term hysterese). Een fiets met zachte banden zal meer rolwrijving ondervinden dan als je de banden goed hebt opgepompt.

Bij een zachte band vindt sterkere vervorming van de band plaats. Er wordt meer warmte ontwikkeld en de rolwrijving is groter.

Luchtwrijving

Voor de berekening van de luchtwrijving bij hoge snelheden wordt de volgende formule gebruikt;

>

in de formule is ρ de dichtheid van de lucht, v de snelheid in m/s en A het frontale oppervlak in m2. Het getalletje cw is een weerstandscoëfficiënt, die afhangt van de vorm (bijvoorbeeld de stroomlijning) van de renner.

Van deze auto is de lichtgroene oppervlakte het frontaal oppervlak A.

De luchtwrijving hangt in belangrijke mate af van de grootte van het frontaal oppervlak. Het is voor races van groot belang het frontaal oppervlak zo klein mogelijk te maken. Fietsers en schaatsers doen dit door zoveel mogelijk gebukt te rijden. Bij een ligfiets is het frontaal oppervlak aanmerkelijk kleiner dan bij een gewone fietser. Dit levert mede een aanzienlijke snelheidswinst op. Een ‘superfiets’ is een ligfiets, die voorzien is van prima stroomlijning. Daar is het frontaal oppervlak klein en de cw – waarde ook. Met zo’n fiets is een snelheid van 104 km/h gehaald op de 200 meter. Snelle auto’s (denk aan een Ferrari of een Porsche of een formule 1 raceauto) zijn vaak laag, zodat het frontale oppervlak klein blijft.

Een flink verschil in luchtwrijving. Links een door studentes ontworpen wagen die op zonne-energie moet rijden, rechts een vrachtwagen voor zeer zware lading, waarbij snelheid niet van belang is.