Yerde duran tahta bir kutuyu iterseniz yani kuvvet uygularsanız, hareket etmesine engel olan bir etki olduğunu fark edersiniz. Bir cismin hareketine zıt yönde olan bu etkiye sürtünme kuvveti denir. Birbirine temas eden iki cismin yüzeyleri arasındaki pürüzlülükten dolayı oluşur.
Sürtünme kuvveti nelere bağlıdır?
Sürtünme kuvveti yüzeyin cisme uyguladığı normal kuvvetine ve yüzeyler arasındaki pürüzlüğün bir ölçüsü olan sürtünme katsayısına bağlıdır. Matematiksel olarak bu ilişki fsürtünme = μN biçiminde ifade edilir.
Yüzeyin uyguladığı normal kuvveti nedir?
Bir tane tahta kutuyu mu ittirip harekete geçirmek daha zordur, yoksa iki tane üst üste konmuş tahta kutuyu mu? Elbette iki tane üst üste konmuş tahta kutuyu hareket ettirmek tek kutuyu hareket ettirmekten daha zordur. Bunun nedeni sürtünme kuvvetinin, yüzeyin kutuya uyguladığı normal kuvveti ile ilişkili olmasıdır. Yüzeyin uyguladığı normal kuvveti arttıkça sürtünme kuvveti de artar.
Aşağıdaki serbest cisim diyagramında tek kutu ve iki kutu durumu görülüyor.
Tek kutu için:
- kutunun yere uyguladığı ağırlık kuvveti G ile gösterilmiş, yerin kutuya uyguladığı normal kuvveti de N ile. Kutu sağa doğru uygulanan bir F kuvvetiyle çekiliyor ve sağa doğru hareket ediyor.
- Tek kutunun düşey doğrultuda yalnızca ağırlığı ve normal kuvveti var. Kutu düşeyde hareket etmiyor, öyleyse dengelenmiş kuvvetlerin etkisi altında. Newton’un hareket yasalarının üçüncüsü olan Etki – tepki ilkesine göre N = -G (eksi işareti normal kuvvetinin yönünün ağırlık kuvvetinin yönüne zıt olduğunu gösteriyor), iki kuvvetin büyüklüğü de eşit.
- Harekete karşı koyan sürtünme kuvveti de fsürtünme oluyor.
İki kutu için:
- kutular üst üste konulduğunda toplam ağırlık aynı yönlü G + G = 2G kuvvetine eşit, yerin uyguladığı normal kuvveti de N = -2G‘ye. Ayrıca kutuları sağa doğru hareket ettiren F kuvveti var.
- Sürtünme kuvveti de 2fsürtünme oluyor, iki katına çıkıyor.
Yüzeye uygulanan kuvvet mutlaka yatay doğrultuda ve yere doğru olmak zorunda değildir. Örneğin, düşey olarak da sürtünme kuvvetinin yüzeye uygulanan kuvvetle doğru orantılı olduğunu görebiliriz. Örneğin kutuyu duvara hafifçe bastırsaydık duvarın uyguladığı normal kuvveti bizim bastırdığımız kuvvete eşit ve zıt yönlü olurdu (N = -F). Duvara yaslı kutu ağırlığının etkisinde aşağı doğru hareket etseydi sürtünme kuvveti harekete zıt yönde yani yukarı doğru olurdu. Aşağıdaki resimde düşey durum gösteriliyor.
Yüzeylerin cinsi: Sürtünme katsayısı nedir?
Bir kutuyu pürüzsüz buz bir zeminde mi hareket ettirmek daha kolay olur; yoksa girintili çıkıntılı toprak bir yüzey üstünde mi?
Birbirine temas eden cisimlerin yüzeyleri dokunduğumuz zaman bize pürüzsüz gelse bile, aslında hala pürüzlüdür. Pürüzleri tepeler ve çukurlar olarak düşünebiliriz. Bu tepeler ve çukurlar karşılıklı olarak birbirinin içine girince hareketi zorlaştırır. İşte bu yüzden sürtünme kuvveti hep hareket yönüne ters yöndedir.
Örneğin, tahta kutunun yüzeyiyle üstünde durduğu zeminin yüzeyini ele alalım. Aşağıdaki resimde görüldüğü gibi tahta kutuyla yerin birbirine temas eden yüzeylerini eğer büyütebilseydik, karşılıklı olarak girintili çıkıntılı olduklarını görürdük. Bu girinti ve çıkıntılar birbirine geçerek tahta kutunun hareket etmesine karşı bir kuvvet uygular.
Cisimlerin yapıldıkları maddenin cinsine ve yüzeylerinin pürüzlülük durumuna göre sürtünme kuvveti değişir. Mikroskobik ölçekteki yüzeyler arasındaki girinti ve çıkıntılar, yüzeylerin cinsine göre, birbiriyle daha sıkı ya da daha gevşek kenetlenir.
Yüzeylerin pürüzlülük oranını gösteren sabit değere sürtünme katsayısı denir, k ya da μ simgesiyle gösterilir. Her yüzeyin farklı sürtünme katsayısı vardır.
Sürtünme kuvveti temas eden yüzeylerin alanına bağlı değildir.
Sürtünme kuvvetinin formülü\vec{f}_{surtunme} = \mu N
Cismin durmasına (statik) veya hareket etmesine (kinetik) göre sürtünme katsayısı değişir.
Sürtünme kuvveti video
Aşağıdaki video kısa bir gözden geçirme. Videodaki PHET simülasyonu Kuvvet ve Hareketle oynamak isteyebilirsiniz.
Sürtünme kuvveti ile ilgili Fizik dersi Kazanımları
126.96.36.199. Sürtünme kuvvetinin bağlı olduğu değişkenleri analiz eder.
- Öğrencilerin deney yaparak veya simülasyonlardan elde ettiği verilerden çıkarım yapmaları ve değişkenler arasındaki ilişkiyi belirlemeleri sağlanır.
- Statik ve kinetik sürtünme kuvvetlerinin karşılaştırılması sağlanır.
- Serbest cisim diyagramları üzerinde sürtünme kuvvetinin gösterilmesi sağlanır.
- Sürtünme kuvvetinin matematiksel modeli verilir. Matematiksel hesaplamalara girilmez.
- Sürtünme kuvvetinin günlük hayattaki avantaj ve dezavantajlarına örnekler verilmesi sağlanır.
- Kayarak ve dönerek ilerleyen cisimlerde sürtünme kuvvetinin yönü, örnekler üzerinden açıklanır.