Kitkakerroin: määritelmä, kaavat ja staattinen vs dynaaminen kitka

Kitkakerroin kuvaa kahden pinnan välisen kitkan ja niiden välisen normaalireaktion suhdetta. Sitä käytetään usein fysiikassa määrittämään kohteen normaalivoima tai kitkavoima, kun tarkempia mittauksia ei ole saatavilla.

Kitkakerroin voidaan esittää peruskaavalla

F f = μ F n {\displaystyle F_{f}=\mu F_{n}\,} $F_{f}=\mu F_{n}\,$ .

Mitä kaavassa tarkoitetaan

Kaavassa

F f {\displaystyle F_{f}} $F_{f}$ on kitkavoima (newtoneina). Kitkavoima suuntautuu yleensä vastakkaiseen suuntaan kappaleen mahdolliseen liikkeeseen tai pyrkimykseen liikkua.
μ {\displaystyle \mu } $\mu$ on kitkakerroin (dimensioton).
F n {\displaystyle F_{n}\,} $F_{n}\,$ on normaalivoima (newtoneina), eli pinnan kohdistama reaktiovoima kohtisuoraan pintaa vastaan.

Staattinen ja dynaaminen (kineettinen) kitkakerroin

Kitkakerroin μ \displaystyle \mu } $\mu$ voi tarkoittaa kahta erilaista ilmiötä:

Staattinen kitka (μs) — kuvaa kitkaa silloin, kun pinnat ovat liikkumattomia toisiinsa nähden. Maksimaalinen staattinen kitkavoima voidaan ilmaista muodossa F f,max = μ s N $\mu_s$ . Todellinen staattinen kitka voi olla pienempi kuin tämä raja-arvo ja mukautuu siihen saakka, kunnes liike alkaa.
Dynaaminen (kineettinen) kitka (μk) — vallitsee, kun pinnat liikkuvat toistensa suhteen. Kineettinen kitka ilmaistaan usein yksinkertaisesti F f = μ k N $\mu_k$ , ja tyypillisesti μk < μs.

Luonne ja yksiköt

Kitkakerroin on dimensioton eli sillä ei ole yksikköä. Se on myös skalaarinen suure: se ei ole vektorisuure eikä sillä ole suuntaa, vaan se kertoo kitkan suuruuden suhteessa normaalivoimaan.

Arvot, riippuvuudet ja esimerkit

Kitkakerroin riippuu pinnan materiaalista, pinnan karheudesta, puhtaudesta, paineesta ja joskus nopeudesta ja lämpötilasta. Yleisiä huomioita:

Arvot ovat usein luokkaa 0–1, mutta voivat myös olla suurempia kuin 1. Arvo 0 tarkoittaa, että pinnat eivät tuota kitkaa (esim. ideaalinen superneste), kun taas arvo >1 tarkoittaa, että kitkavoima on suurempi kuin normaalivoima — tämä on mahdollista esimerkiksi tietyillä elastisilla aineilla kuten silikonikumilla.
Staattinen kitkakerroin μs on yleensä suurempi kuin kineettinen μk. Tämä selittää, miksi esineen saaminen liikkeelle vaatii usein enemmän voimaa kuin sen pitämiseksi liikkeessä.
Matalat arvot (esim. 0,01–0,1) löytyvät hyvin liukuvilta pinnoilta tai voiteluaineesta. Suuremmat arvot (esim. 0,5–1,5) voivat esiintyä karheilla tai tarttuvilla materiaaleilla.

Kaavat ja esitystapa

Yleinen yhtälö kitkalle on

F f = μ N {\displaystyle F_{f}=\mu N} $F_{f}=\mu N$ (1)

missä

F f {\displaystyle F_{f}} $F_{f}$ on kitkavoima (N),
μ $\mu$ on staattinen (μ s {\displaystyle \mu _{s}} $\mu_s$ ) tai kineettinen (μ k {\displaystyle \mu _{k}} $\mu_k$ ) kitkakerroin,
N {\displaystyle N} $N$ on normaalivoima (N).

Mittaaminen ja käytännön huomioita

Kitkakerroin mitataan usein vetämällä kalibroitu kuorma pinnan yli ja mittaamalla tarvittava voima. Staattinen kitka havaitaan voimana, joka tarvitaan esineen liikuttamiseksi paikallaan olevasta levosta.
Kitka ei ole vain pinnallinen "karheus" — siihen vaikuttavat myös mikroskooppinen tarttuminen, materiaalien elastisuus ja kemialliset voimat.
Voitelu ja pintakäsittely voivat merkittävästi pienentää kitkakerrointa; kosteus ja lika voivat joko pienentää tai suurentaa kitkaa tilanteesta riippuen.

Usein esiintyvät väärinkäsitykset

Ei pidä ajatella, että kitkakerroin on aina 0–1. Arvot voivat olla pienempiä kuin 0 (erikoistapaukset eivät-klassinen) tai suurempia kuin 1 tietyillä materiaaliyhdistelmillä.
Kitkakerroin ei yksin määritä kitkavoimaa ilman normaalivoimaa: itse asiassa Ff on aina suhteessa N:ään.

Kitkavoima on siis voima, joka vastustaa kappaleen liikettä tai pyrkimystä liikkua toisen pinnan yli. Sen suuruus ja luonne riippuvat monista tekijöistä, ja kitkakerroin on kätevä, mutta yksinkertaistettu tapa kuvata tätä ilmiötä.

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mikä on kitkakerroin?

A: Kitkakerroin on arvo, joka osoittaa kahden kappaleen välisen suhteen ja normaalireaktion kyseisten kappaleiden välillä. Sitä käytetään fysiikassa kohteen normaalivoiman tai kitkavoiman määrittämiseen, kun muita menetelmiä ei ole käytettävissä.

K: Miten kitkakerroin esitetään?

V: Kitkakerroin esitetään kaavalla Ff = μFn, jossa Ff on kitkavoima, μ on kitkakerroin ja Fn on normaalivoima.

Kysymys: Mitkä ovat kaksi erilaista kitkakertoimen tyyppiä?

V: Kaksi erityyppistä kitkakerrointa ovat staattinen (μs) ja dynaaminen (μk).

K: Mitä tarkoittaa kertoimen arvo 0?

V: Arvo 0 tarkoittaa, että kappaleiden välillä ei ole lainkaan kitkaa, kuten esimerkiksi supernesteisyydessä.

K: Mitä tarkoittaa kerroinarvo, joka on suurempi kuin 1?

V: Kertoimen arvo suurempi kuin 1 tarkoittaa, että kitkavoima on voimakkaampi kuin normaalivoima.

K: Miten kitkavoimat voidaan ilmaista matemaattisesti?

V: Kitkavoimat voidaan ilmaista matemaattisesti muodossa Ff = μN, jossa Ff on kitkavoima (newtonseina), μ on joko staattinen tai kineettinen kitkakerroin (dimensioton) ja N on normaalivoima (newtonseina).