Wrijving

Wrijving is de tegenwerkende kracht die optreedt tussen twee oppervlakken en zodoende beweging tegengaat. Hoe groter de kracht waarmee de oppervlakken tegen elkaar worden gedrukt, hoe groter de wrijvingskracht.

Vectorvoorstelling van de schuifkracht op een blok die ontstaat omdat er een trekkracht op werkt en er schuifweerstand optreedt. De normaalkracht en zwaartekracht zijn ook aangeduid.

Om een voorwerp toch in beweging te brengen of in beweging te houden, moet de wrijvingskracht worden overwonnen door een externe kracht. De wrijvingskracht is een schuifkracht die evenwijdig aan het raakvlak werkt. Zoals elke kracht draagt ook deze bij aan de versnelling van een lichaam. Omdat wrijving echter altijd tegengesteld is aan de bewegingsrichting, veroorzaakt het altijd een negatieve versnelling, oftewel vertraging.

Grootte van maximale schuifkracht

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

${\displaystyle F_{s}=\mu _{w}F_{n}}$,

met

• ${\displaystyle F_{s}}$: de schuifkracht.
• ${\displaystyle F_{n}}$: de drukkracht loodrecht op het oppervlak (de normaalkracht).
• ${\displaystyle \mu _{w}}$: de wrijvingscoëfficiënt.

De wrijvingscoëfficiënt is een (dimensieloos) getal dat de verhouding weergeeft tussen de schuifkracht ${\displaystyle F_{s}}$ en de normaalkracht ${\displaystyle F_{n}}$.

De schuifkracht door wrijving is altijd tegengesteld gericht aan de verplaatsingsrichting. Bijvoorbeeld, wanneer een stoel naar rechts wordt geschoven, duwt de wrijvingskracht de stoel naar links. Deze richtingsafhankelijkheid kan op de volgende manier formeel beschreven worden:

${\displaystyle {\vec {F_{s}}}=-{\hat {v}}\mu _{w}F_{n}}$,

met

• ${\displaystyle {\hat {v}}}$: relatieve richting is van de snelheid tussen beide oppervlakken ${\textstyle {\hat {v}}={\frac {\vec {v}}{|v|}}}$;
• ${\displaystyle {\vec {F_{s}}}}$: de schuifkracht;
• ${\displaystyle F_{n}}$: de normaalkracht;
• ${\displaystyle \mu _{w}}$: de wrijvingscoëfficiënt.

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

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

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 ${\displaystyle \mu _{s}}$. De kracht die nodig is om een voorwerp in beweging te brengen wordt gewoonlijk bepaald door de statische wrijving. De maximale statische schuifkracht is gelijk aan ${\textstyle \mu _{s}F_{n}}$. In werkelijkheid kan de schuifkracht ook lager zijn, tot deze bovengrens: ${\textstyle |{\vec {F_{s}}}|\leq \mu _{s}F_{n}}$,
• 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 ${\displaystyle \mu _{k}}$. Deze wrijving 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.
• Viskeuze wrijving treedt op in een vloeistoflaagje als de vloeistof beweegt. Bij de meeste vloeistoffen is de schuifkracht hier evenredig met de snelheidsgradiënt in de vloeistof. Daardoor treedt bij viskeuze smering (smering door middel van een vloeistoflaagje tussen de bewegende delen) geen schokje op bij het begin van de beweging (zoals bij statische wrijving).

Bepalen van wrijvingscoëfficiënt

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 statische 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 wil bepalen. Men brengt het vlak langzaam onder helling en op het moment dat het voorwerp begint te schuiven meet men de hellingshoek. De tangens van de hoek (dus de hellingsgraad) is dan de wrijvingscoëfficiënt ${\displaystyle \mu _{s}=\tan {\phi }}$.

De dynamische wrijvingscoëfficiënt kan ten minste op twee manieren bepaald worden.

Met een veerunster

Het voorwerp wordt op een vlak oppervlak geplaatst en met een veerunster (een eenvoudige krachtmeter met veer en schaal) horizontaal voortgetrokken. De maximale kracht die nodig is om het glijden te starten correspondeert met de statische wrijvingscoëfficiënt, terwijl de kracht die nodig is om het voorwerp met constante snelheid voort te bewegen de dynamische wrijvingscoëfficiënt oplevert. De snelheid moet daarbij voldoende zijn om het stick slip effect te vermijden. De waarde kan worden berekend met: ${\displaystyle \mu _{k}={\frac {Fs}{mg}}}$.

waarbij ${\displaystyle F_{s}}$ de gemeten schuifkracht is, ${\displaystyle m}$ de massa van het voorwerp en ${\displaystyle g}$ de zwaartekrachtversnelling. Wanneer gebruikgemaakt wordt van een weeghaak als veerunster, is er een bijkomend voordeel: de afgelezen massa hoeft enkel te worden gedeeld door de massa van het voorwerp om direct de wrijvingscoëfficiënt te verkrijgen.

Met een hellend vlak

Een alternatieve methode is het gebruik van een hellend vlak. De hellingshoek wordt stapsgewijs vergroot en het object wordt na elke verhoging kort in beweging gebracht, bijvoorbeeld met een lichte tik van een hamer. Bij een te kleine hoek komt het object vrijwel direct tot stilstand; bij een te grote hoek versnelt het duidelijk. De hoek waarbij het object na de tik zeer langzaam maar blijvend blijft glijden, levert de dynamische wrijvingscoëfficiënt: ${\displaystyle \mu _{k}=\tan {\phi }}$.

Voorbeelden van wrijving

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

Een beroemd experiment bestaat uit twee telefoonboeken die door bladzijden om en om in elkaar te leggen in elkaar zijn gevlochten. De kracht die nodig is om ze weer uit elkaar te trekken, wordt versterkt doordat de bladzijden een hoek moeten maken om in elkaar te passen. Deze hoek zorgt voor versterking van de weerstand als eraan wordt getrokken, de trekkracht zorgt dat de bladzijden tegen elkaar worden geduwd. Hoe harder wordt getrokken, hoe harder ook de bladzijden tegen elkaar worden geduwd en hoe groter de wrijving.^[1] Uiteindelijk zijn de telefoonboeken alleen met bijzonder sterke kracht uit elkaar te trekken, met mensenhanden lukt dat niet.^[2]

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. Dit vindt een toepassing in het wrijvingslassen.

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 wrijving 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 glijlager.