Үйкеліс – күнделікті өмірде үнемі кездесетін құбылыс. Үйкелістің зиянды немесе пайдалы екенін анықтау мүмкін емес. Тайғақ мұзда бір қадам басудың өзі қиын іс сияқты, ал асфальттың кедір-бұдырымен жүрудің өзі бір ғанибет. Майланбаған көлік бөлшектері тезірек тозады.
Үйкеліс күшін зерттеу, оның негізгі қасиеттерін білу адамға оны пайдалануға мүмкіндік береді.
Физикадағы үйкеліс күші
Бір дененің екінші дененің бетінде қозғалуынан немесе қозғалыс әрекетінен туындайтын, қозғалыс бағытына қарсы бағытталған, қозғалатын денелерге әсер ететін күш үйкеліс күші деп аталады. Формуласы көптеген параметрлерге тәуелді үйкеліс күшінің модулі қарсылық түріне байланысты өзгереді.
Үйкелістің келесі түрлері бөлінеді:
• демалыс;
• сырғытпа;
• домалау.
Ауыр затты (шкаф, тас) орнынан жылжыту әрекеті адамның күшінің шиеленісуіне әкеледі. Сонымен бірге объектіні қозғалысқа келтіру әрқашан мүмкін бола бермейді. Демалыстың үйкелісі бұған кедергі жасайды.
Демалыс күйі
Статикалық үйкеліс күшін есептеу формуласыжеткілікті дәл анықтауға мүмкіндік бермейді. Ньютонның үшінші заңының күші бойынша статикалық қарсылық күшінің шамасы түсірілген күшке байланысты.
Күш артқан сайын үйкеліс күші де артады.
0 < Fдемалу мәселесі < Fmax
Демалыс үйкелісі ағашқа соғылған шегелердің түсіп кетуіне жол бермейді; жіппен тігілген түймелер мықтап ұсталады. Бір қызығы, адамның жүруіне мүмкіндік беретін демалыстың қарсылығы. Оның үстіне ол жалпы жағдайға қайшы келетін адам қозғалысының бағытына бағытталған.
Сырғу құбылысы
Денені қозғалтатын сыртқы күш ең үлкен статикалық үйкеліс күшінің мәніне өскенде, ол қозғала бастайды. Сырғанау үйкеліс күші бір дененің екінші дененің бетінен сырғанау процесінде қарастырылады. Оның мәні өзара әрекеттесетін беттердің қасиеттеріне және бетке тік әсер ету күшіне байланысты.
Сырғанақ үйкеліс күшін есептеу формуласы: F=ΜP, мұндағы Μ – пропорционалдық коэффициенті (сырғанау үйкелісі), P – тік (қалыпты) қысым күші.
Қозғалтқыш күштердің бірі – сырғанау үйкеліс күші, оның формуласы тіректің реакция күші арқылы жазылады. Ньютонның үшінші заңының орындалуына байланысты қалыпты қысым күштері мен тірек реакциясы шамасы бойынша бірдей және бағыты бойынша қарама-қарсы: Р=N.
Формуласы басқа формада болатын (F=M N) үйкеліс күшін таппас бұрын реакция күшін анықтаңыз.
Сырғуға төзімділік коэффициенті екі ысқылау беті үшін эксперименталды түрде енгізілген, олардың өңдеу сапасы мен материалына байланысты.
Кесте. Түрлі беттерге арналған кедергі коэффициентінің мәні
| бет | Әсерлесетін беттер | Жылжымалы үйкеліс коэффициентінің мәні |
| 1 | Болат+мұз | 0, 027 |
| 2 | Емен+емен | 0, 54 |
| 3 | Былғары+шойын | 0, 28 |
| 4 | Қола+темір | 0, 19 |
| 5 | Қола+шойын | 0, 16 |
| 6 | Болат+болат | 0, 15 |
Формуласы жоғарыда жазылған статикалық үйкелістің ең үлкен күшін сырғанау үйкеліс күші сияқты анықтауға болады.
Бұл қозғалыс кедергісінің күшін анықтауға арналған мәселелерді шешу кезінде маңызды болады. Мысалы, жоғарыдан басылған қолмен қозғалатын кітап қол мен кітап арасында пайда болатын тыныштық қарсылық күшінің әсерінен сырғанайды. Қарсылық мөлшері кітаптағы тік қысым күшінің мәніне байланысты.
Айналу құбылысы
Ата-бабаларымыздың сүйреткіштен арбаға ауысуы революциялық деп саналады. Дөңгелекті ойлап табу - адамзаттың ең үлкен өнертабысы. Доңғалақ беттің үстімен қозғалғанда пайда болатын домалау үйкелісі сырғанау кедергісінен айтарлықтай төмен.
Айналмалы үйкеліс күштерінің пайда болуы доңғалақ бетіндегі қалыпты қысым күштерімен байланысты, оны сырғанаудан ерекшелендіретін сипаты бар. Дөңгелектің шамалы деформациясына байланысты қалыптасқан аймақтың ортасында және оның жиектерінде әртүрлі қысым күштері пайда болады. Күштердің бұл айырмашылығы домалау кедергісінің пайда болуын анықтайды.
Айналмалы үйкеліс күшін есептеу формуласы әдетте сырғанау процесіне ұқсас қабылданады. Айырмашылық тек кедергі коэффициентінің мәндерінде көрінеді.
Қарсылық сипаты
Үйкеліс беттерінің кедір-бұдыры өзгерген кезде үйкеліс күшінің мәні де өзгереді. Жоғары ұлғайту кезінде жанасатын екі бет өткір шыңдары бар бұдырларға ұқсайды. Қаптағанда дененің шығыңқы бөліктері бір-бірімен жанасып тұрады. Жалпы байланыс аймағы шамалы. Денелерді жылжытқанда немесе жылжытуға тырысқанда, «шыңдар» қарсылық тудырады. Үйкеліс күшінің шамасы жанасу беттерінің ауданына байланысты емес.
Екі мінсіз тегіс беттер мүлдем қарсылық көрмеуі керек сияқты. Іс жүзінде бұл жағдайда үйкеліс күші максималды болады. Бұл сәйкессіздік күштердің пайда болу табиғатымен түсіндіріледі. Бұл өзара әрекеттесетін денелердің атомдары арасында әрекет ететін электромагниттік күштер.
Табиғатта үйкеліспен жүрмейтін механикалық процестер мүмкін емес, өйткені «өшіру» мүмкіндігізарядталған денелер арасында электрлік әсерлесу болмайды. Қарсыласу күштерінің денелердің өзара орналасуынан тәуелсіздігі оларды потенциалды емес деп атауға мүмкіндік береді.
Бір қызығы, өзара әрекеттесуші денелердің жылдамдығына байланысты формуласы өзгеретін үйкеліс күші сәйкес жылдамдықтың квадратына пропорционал. Бұл күш сұйықтықтағы тұтқыр кедергі күшін қамтиды.
Сұйық және газдағы қозғалыс
Қатты дененің сұйық немесе газ, сұйық күйдегі қатты бетке жақын қозғалысы тұтқыр кедергімен бірге жүреді. Оның пайда болуы қозғалыс процесінде қатты денемен тартылған сұйық қабаттарының өзара әрекеттесуімен байланысты. Әртүрлі қабат жылдамдығы тұтқыр үйкеліс көзі болып табылады. Бұл құбылыстың ерекшелігі - сұйықтықтың статикалық үйкелісінің болмауы. Сыртқы әсердің шамасына қарамастан, дене сұйықтық ішінде қозғала бастайды.
Қозғалыс жылдамдығына байланысты қарсылық күші қозғалыс жылдамдығымен, қозғалатын дененің пішінімен және сұйықтықтың тұтқырлығымен анықталады. Бір дененің судағы және майдағы қозғалысы әртүрлі ұлылықтағы қарсылықпен бірге жүреді.
Төмен жылдамдықтар үшін: F=kv, мұндағы k - дененің сызықтық өлшемдері мен ортаның қасиеттеріне байланысты пропорционалдық коэффициенті, v - дененің жылдамдығы.
Сұйықтықтың температурасы ондағы үйкеліске де әсер етеді. Аязды ауа-райында көлік майдың қызуы үшін (оның тұтқырлығы төмендейді) және жанасатын қозғалтқыш бөліктерінің бұзылуын азайтуға көмектесетіндей қыздырылады.
Жылдамдықты жоғарылату
Дене жылдамдығының айтарлықтай артуы турбулентті ағындардың пайда болуын тудыруы мүмкін, ал қарсылық күрт артады. Мәндер: қозғалыс жылдамдығының квадраты, ортаның тығыздығы және дененің бетінің ауданы. Үйкеліс күшінің формуласы басқа пішінде болады:
F=kv2, мұндағы k – дене пішіні мен ортаның қасиеттеріне байланысты пропорционалдық коэффициенті, v – дененің жылдамдығы.
Дене біркелкі болса, турбуленттілік азайтуға болады. Дельфиндер мен киттердің дене пішіні жануарлардың жылдамдығына әсер ететін табиғат заңдарының тамаша үлгісі болып табылады.
Энергетикалық тәсіл
Дененің қозғалу жұмысын орындауға қоршаған ортаның қарсылығы кедергі жасайды. Энергияның сақталу заңын қолданғанда олар механикалық энергияның өзгеруі үйкеліс күштерінің жұмысына тең дейді.
Күштің жұмысы мына формуламен есептеледі: A=Fscosα, мұндағы F - дененің s қашықтыққа қозғалатын күші, α - күш пен орын ауыстыру бағыттарының арасындағы бұрыш.
Әрине, қарсылық күші дененің қозғалысына қарама-қарсы, осыдан cosα=-1. Үйкеліс күшінің жұмысы, формуласы Atr=- Fs, мәні теріс. Бұл жағдайда механикалық энергия ішкі энергияға айналады (деформация, қызу).
