Bir cisim, pürüzlü bir yüzeyde yahut hava veya su gibi viskoz bir ortam içinde hareket ediyorsa, çevresi ile arasındaki etkileşmeden dolayı harekete karşı bir direnme doğar. Böyle bir direnmeyi sürtünme kuvveti olarak adlandırırız. Sürtünme kuvvetleri bizim günlük yaşamımız içinde çok önemlidir. Bu kuvvet, yürüyebilmemiz, koşabilmemiz, durabilmemiz, arabaların harekete geçmesi ve durabilmesi için gereklidir.
Pürüzlü bir döşemede ağır bir masayı hareket ettirmeye çabaladınız mı?
İtmeye devam ederek daha şiddetle iterseniz sonunda aniden harekete geçer ve hareket daha kolayca devam eder. Masayı harekete başlatmak için gereken kuvvet, masa kaymakta iken gerekenden daha büyük değere sahiptir. Bunu daha iyi anlamak için Şekil 1a’da görülen yatay düzey üzerindeki bir kutuyu göz önüne alalım ve kutuya yatay ve sağa doğru bir F kuvveti uygulayalım. F kuvvetinin büyüklüğü yeterli değilse, kutu hareket edemeyecektir. Kutunun hareketini önleyen sola doğru etki eden kuvvet f ile gösterilir ve sürtünme kuvveti olarak adlandırılır.
Kutu hareket etmediği sürece f = F dir. Kutu durgun olduğundan bu sürtünme kuvvetine statik sürtünme kuvveti denir ve f ile gösterilir. Deneyle bu kuvvetin temas eden yüzeylerin, hatta şekil 1a da büyütülmüş görüntüde görüldüğü gibi çok düzgün yüzeylerde bile, değme noktalarının genel seviye üzerindeki çıkıntılarından ortaya çıktığını göstermektedir. (Atomik seviyede eğer yüzeyler temiz ve düzgün iseler temas olduğunda kaynak olmuş gibidirler). Sürtünme kuvvetleri kısmen bir yüzeydeki tepenin diğer yüzeydeki tepe tarafından fiziksel olarak engellenmesinden, kısmen temas eden yüzeylerdeki kimyasal bağlardan ortaya çıkarlar. Eğer yüzeyler kaba ise sektirmeye benzer olayların ortaya çıkmasıyla analiz daha da karmaşıktır. Atomik seviyelerde sürtünmenin detayları oldukça karışık olmasına rağmen sonuç olarak bu kuvvet atom ve moleküller arasında elektriksel etkileşmeleri içerir.
Şekil 1b deki gibi F kuvvetinin büyüklüğü artırılırsa, sonunda kutu kaymaya başlayacaktır. Kutu tam kayma sınırında iken fs statik sürtünme, Şekil 1c de görüldüğü gibi maksimum değerine sahip olur. F kuvveti, fs,maks değerini aştığı zaman, kutu sağa doğru hareket edecek ve ivmelenecektir. Kutu harekete koyulduktan sonra, sürtünme kuvveti Şekil 1c de görüldüğü gibi fs,maks değerinden daha küçük değere düşer. Bu düşük değerdeki sürtünme kuvveti fk ile gösterilir ve buna kinetik sürtünme kuvveti denir. F> fk ise, x doğrultusundaki dengelenmemiş F – fk kuvveti sağ tarafa doğru bir ivme oluşturur. F= fk ise kutu sağ tarafa doğru sabit hızlı hareket yapar. Uygulanan kuvvet kaldırılırsa, kitaba sola doğru etki eden sürtünme kuvveti yavaşlatıcı bir ivme oluşturarak sonunda cismi durdurur.
fs,maks ve fk sürtünme kuvvetlerinin her ikisi de kutu üzerine uygulanan normal kuvvetle orantılıdır.
Sürtünme Kuvveti Yasaları Özet
Birbiriyle temas halinde olan iki yüzey arasındaki statik sürtünme kuvveti uygulanan kuvvetle zıt yönlüdür ve aşağıda verilen değere sahip olabilir:
fk ≤ μsn (Eşitlik 1)
Burada μs ile gösterilen boyutsuz katsayı statik sürtünme katsayısı, n de normal kuvvetin büyüklüğüdür. 1 Denkleminin eşitlik olması, blok tam kayma sınırında olduğu zaman gerçekleşir. O anda, fs = fs,maks = μsn olduğunda gerçekleşir. 1 Denkleminin eşitsizlik olma hali ise, uygulanan kuvvetin μsn değerinden küçük olduğu zaman geçerlidir.
Hareket eden bir cisme etki eden kinetik sürtünme kuvveti, daima cismin hareketinin zıt yönündedir ve aşağıda verilen değere sahip olur:
fk = μkn
Burada μk kinetik sürtünme katsayıdır.
μs ile μk; değerleri yüzey özelliklerine bağlıdır. Fakat μk genellikle μs den küçüktür, μ nün tipik değerleri yaklaşık olarak 0,03 değeri ile, 1 değerleri arasında değişir Tablo 5.2 de bazı μ değerleri listelenmiştir.
Sürtünme katsayıları temas eden yüzeylerin alanından hemen hemen bağımsızdır. Bunun nedenini anlamak için Şekil 1a da büyütülmüş olarak görülen düzensiz iki yüzeyin temasını temsil eden çizimdeki gibi, görünen temas yüzeyi ile gerçek temas yüzeyi arasındaki farkı açıklayınız. Görünen temas yüzeyindeki artışın gerçek temas yüzeyindeki artış olmadığı açıkça ortadadır. Hiç bir özelliği değiştirmeksizin görünen yüzey arttırılırsa, birim alana düşen temas noktalarını etkileyen kuvvet azalmış olur. Kuvvetteki bu azalma, temas eden noktaların etkisini bozar.
Kinetik sürtünme katsayısı, hız ile bir miktar değişiyor olmasına rağmen, böyle bir değişmeyi ihmal edeceğiz. Bir eğik düzlemde bir bloğu sabit hızla kaydırmaya çalışarak denklemlerin yaklaşık tabiatını kolayca gösterebiliriz. Özellikle düşük hızlarda hareket; yapışma ilerleme, yapışma ilerleme şeklinde değişken bir halde tanımlanabilir.