Reibung bei reiner Rotation

Beide sind richtig ... in der Umgebung, in der sie richtig sind.

Wenn ich ein Objekt habe, das sich mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer vollkommen ebenen Oberfläche ohne Luftreibung dreht, haben Sie Recht, dass es keine Reibungskraft geben darf. Wenn dies der Fall wäre, wäre es eine ungehinderte Kraft, und das Objekt würde langsamer werden. Da das Objekt nicht rutscht, muss es sich langsamer drehen, wenn es langsamer wird, was gegen die ursprünglichen Annahmen verstößt, die wir gemacht haben.

Stellen Sie sich andererseits ein Objekt vor, das rutschfest beschleunigt, wie ein Ball, der beginnt, eine Rampe hinunterzurollen. In dieser Situation erhöht die Beschleunigung die erforderliche Drehgeschwindigkeit, um die Haftfestigkeitsbeschränkung zu erreichen. Das bedeutet, dass wir ein Drehmoment auf das Objekt haben müssen, was bedeutet, dass wir eine Kraft haben müssen, die nicht durch den Massenmittelpunkt des Objekts geht. Die einzig gültige ist Reibung, also haben Sie Recht: Es wird eine Reibungskraft entgegen der Bewegungsrichtung geben, weil dies das Drehmoment erzeugt, das zur Erhöhung der Drehzahl erforderlich ist.

Der Unterschied in den Situationen sind die Beschleunigungen und/oder andere Kräfte neben der Reibung, die im Bild sind.

Als dritte Hand würde ich ein sehr unterhaltsames Smarter Every Day-Video darüber empfehlen, wie schnell die Dinge laufen. Es geht nicht um genau das gleiche Konzept, aber es ist nah dran. Und ich freue mich immer, wenn ein ausgebildeter Wissenschaftler über die Dinge verwirrt wird, die mich verwirren!

Mir wurde gesagt, dass die Reibung während der reinen Rotation der Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts (begleitet von einer Änderung der Normalen) entgegenwirkt und sie verlangsamt.

Das ist falsch. Die Haftreibung ist rollrichtungsunabhängig!

Drei Situationen zu berücksichtigen:

1. Rollen auf einer ebenen Fläche (keine Nettokraft). Stellen Sie sich vor, Sie rollen eine Billardkugel über harten, waagerechten Boden. Wie Sie bereits wissen, interessiert uns nur die Kontaktstelle. Hier kann es zu einem Gleiten kommen, also kann hier Haftreibung auftreten, um zu versuchen, ein solches Gleiten zu verhindern.

Nun, beim horizontalen Rollen gibt es die Normalkraft, das Gewicht und ... das war's. Haftreibung ist eine Kraft, die nur auftritt, wenn ein gewisses Rutschrisiko verhindert werden muss. Da jedoch keine Kräfte versuchen, den Kontaktpunkt zum Gleiten zu bringen (Gewicht und Normalkraft gleichen sich aus), hat dies keinen Zweck statische Reibung. Der Haftreibung steht nichts entgegen. Die Haftreibung ist also Null (nicht vorhanden) .

2. Rollen nach oben. Stellen Sie sich eine Murmel vor, die in einer groben Glasschale rollt. Auf dem Weg nach oben zieht die Schwerkraft nach unten und versucht, den Kontaktpunkt zum Gleiten zu bringen. Es entsteht also Haftreibung, um den Kontaktpunkt festzuhalten. Es zieht natürlich nach oben, um die Schwerkraft auszugleichen.

3. Rollen nach unten. Die Murmel steigt immer langsamer nach oben, kommt kurz zum Stillstand und beginnt immer schneller nach unten zu rollen. Wenn man den Kontaktpunkt betrachtet, zieht die Schwerkraft immer noch nach unten und versucht immer noch, den Kontaktpunkt zum Gleiten zu bringen. Um es also festzuhalten, tritt Haftreibung auf und zieht nach oben , um die Schwerkraft auszugleichen!

Dass die Rollrichtung nach unten zeigt, spielt dabei keine Rolle. Die Haftreibung scheint ein Gleiten zu verhindern, und das Gleiten hängt nur von den vorhandenen Kräften ab. Nicht auf die Bewegung oder Richtung.

Und jetzt zu einigen Sätzen von Ihnen, um etwas schärfer zu sein mit ...

Der Kontaktpunkt rutscht nicht, daher ist keine Reibung erforderlich

Vorsicht bei diesem Satz. Wenn es rutschte, würde die kinetische Reibung übernehmen, ja. Aber bevor es rutscht, kann Haftreibung vorhanden sein . Auch wenn noch nichts rutscht , kann noch Haftreibung da sein, wie wir in den obigen Beispielen gesehen haben.

Die Dinge gehen nicht ewig weiter; Reibung muss vorhanden sein, um es zu verlangsamen.

Seien Sie auch hier vorsichtig.

Erstens gehen die Dinge ewig weiter. Ein treibendes Raumschiff oder ein umlaufender Satellit, machen Sie ewig weiter. Nichts hält sie auf.

Zweitens können andere Kräfte als Reibung die Dinge verlangsamen. Zum Beispiel verlangsamt der Luftwiderstand einen Fallschirmspringer. Und im Fall eines Rads sind das Zusammendrücken und Biegen eines weichen Gummirads und das Verschieben einer weichen Oberfläche (denken Sie an das Fahren des Fahrrads auf einem Sandstrand) alles Faktoren, die Energie absorbieren. Diese Energie wird der kinetischen Bewegungsenergie entnommen und verlangsamt somit das Abrollen, ohne dass Reibung die Hauptursache ist.

All diese Faktoren werden zu einem Parameter zusammengefasst, der Rollreibung genannt wird . Sie wird „Reibung“ genannt, weil sie das gleiche Ergebnis wie andere Reibungen liefert und die Bewegung verlangsamt, aber in Wirklichkeit ist sie keine Reibung, sondern nur ein Begriff für Energieverlustquellen.

1. Reine Raddrehung im Weltraum: wird sich für immer drehen.

2. Reine Rotation im Weltraum plus CM-Lineargeschwindigkeit: wird sich für immer drehen und CM wird sich für immer bewegen.

3. Dasselbe wie (1) auf einem reibungslosen Tisch: endlos drehen.

4. Dasselbe wie (2) auf einem reibungslosen Tisch: Für immer drehen und für immer bewegen.

5. Das Verhalten auf einem Tisch mit Reibung hängt von Anfangsbedingungen und Reibungskoeffizienten ab. Wenn Sie beispielsweise ein rotierendes Rad auf den Tisch fallen lassen, beschleunigt die Reibung das CM und entschleunigt die Rotation. Wenn Sie jedoch ein nicht rotierendes Rad auf den Tisch schieben, wird die Reibung CM entschleunigen und die Rotation beschleunigen.

Nachdem ich ein wenig recherchiert und die anderen Antworten gelesen hatte, dachte ich, es wäre am besten, wenn ich alles in einer Antwort zusammenfasse.

Rollreibung ist der Widerstand gegen das Rollen, das durch nicht ideale Szenarien wie Wind, Weichheit des Balls, Verformungen, Bremsen (im Auto) verursacht wird. Haftreibung ist die Reibung, die der Tendenz zur Relativbewegung entgegenwirkt.

Stellen Sie sich statt eines Balls ein realistischeres Auto vor, das sich auf einer geraden Strecke bewegt.
Fall 1 : Der Motor ist abgestellt .
Hier verlangsamen nicht ideale Fälle (wie nicht perfektes Rollen und weiche Oberfläche) das Auto und es hält schließlich an. Da die lineare Beschleunigung ($a$) abnimmt, wirkt die statische Reibung der Bewegung des Autos entgegen, um die Rotationsfrequenz der Räder zu verringern und die Gleichung aufrechtzuerhalten$a=\alpha r$. Haftreibung versucht immer, ein reines Rollen zu erreichen, und verlangsamt das Auto am Ende.
Wenn Sie dann keine Rollreibung berücksichtigen, rollt das Auto bereits rein und es wirkt keine Haftreibung. Und damit wird das Auto für immer weiterfahren.

Fall 2 : Das Auto beschleunigt .
Hier erhöht der Motor die Frequenz der Drehung der Räder. Der Kontaktpunkt neigt also dazu, zu gleiten, anstatt zu rollen (da die lineare Beschleunigung des Autos nicht ausreicht, um zu befriedigen$a=\alpha r$). Die Haftreibung wirkt also in Bewegungsrichtung des Autos, so dass die lineare Beschleunigung zunimmt und die Gleichung erhalten bleibt. Die Haftreibung hier gibt dem Auto also Beschleunigung. Aber die Rollreibung wirkt der Bewegung immer noch entgegen, wie die bereits erwähnten nicht idealen dissipativen Kräfte.

Fall 3 : Das Auto verzögert .
Hier wird die Rotationsfrequenz der Räder durch die Bremsen verlangsamt. Die statische Reibung möchte, dass auch die lineare Beschleunigung abfällt, um das reine Rollen aufrechtzuerhalten. Es wirkt also der Bewegung des Autos entgegen. Die Rollreibung wirkt hier noch der Rotation des Rades entgegen.