Fizikos pradžiamokslis. Trintis

Turbūt niekam ne paslaptis, kad stumti sunkią dėžę šiurkščiu paviršiumi yra sunkiau, nei slidžiu. Su trintimi juk susiduriame kasdien – ar tai būtų automobilio stabdžiai, ar iš krūvos dokumentų vidurio traukiamas popieriaus lapas, ar dar kas nors. Tačiau manau, kad retas pagalvojate, jog trintis iš tiesų yra labai keistas dalykas. Keistas tuo, kad tai nėra vienas reiškinys, o visa jų šūsnis, kylanti dėl skirtingų procesų ir pasireiškianti labai skirtingose situacijose, bet dėl tam tikrų panašumų (priešinimosi judėjimui) vadinama vienu vardu. Taigi šiame įraše trumpai pristatysiu keturias trinties rūšis – šlyties, riedėjimo, aerodinaminę ir dinaminę – kad visiškai jus supainiočiau ir nebežinotumėte, kaip čia kas iš tikro vyksta.

Šlyties trintis

Pradėsiu nuo geriausiai pažįstamos trinties rūšies – būtent tos trinties, kuri trukdo stumti dėžę šiurkščiu paviršiumi. Tokia trintis vadinama šlyties trintimi (turbūt dėl to, kad pasireiškia, kai du kūnai yra prisišlieję vienas prie kito) ir mokykloje fizikos pamokų metu apie ją vienintelę ir sužinoma šis tas. Ji labai patogiai išreiškiama kaip jėga, nukreipta priešinga kūno judėjimui kryptimi, veikianti ties judančio kūno ir paviršiaus sąlyčio plokštuma (ar tašku), ir kurios maksimali vertė yra lygi tam tikram trinties koeficientui, padaugintam iš kūno svorio (ne masės!). Tas trinties koeficientas priklauso tik nuo susiliečiančių medžiagų savybių, bet ne nuo paties kūno masės ar formos, arba sąlyčio ploto. Jei ant judančio kūno uždėsim papildomą svorį, trinties jėga padidės proporcingai tam svoriui, o jei sumažinsime sąlyčio plotą, trintis nesumažės.

Kaip manote, kodėl tokia trintis egzistuoja? Dėl to, kad vienas kūnas braukiamas per kitą ir turi "nutrinti" nelygumus? Netiesa – tai gal šiek tiek prideda trinties, esant labai šiurkštiems paviršiams, bet pagrindas ne tas. Pagrindas – elektromagnetinė sąveika. Taip, šlyties trintis yra elektrinis reiškinys. Kiekvieno kūno, net ir paties lygiausio, paviršiuje esantys atomai yra traukiami šiek tiek mažiau, nei esantys viduje (paprasčiausiai dėl to, kad iš vienos pusės jie neturi "kaimynų"). Taigi tų atomų elektronai yra pasislinkę šiek tiek į kūno vidų, tad atomo branduolys iš išorinės pusės yra nepilnai ekranuotas. Kitaip tariant, kiekvieno kūno paviršius turi labai menką teigiamą krūvį, o kuo paviršius šiurkštenis, tuo to krūvio daugiau, nes daugiau atomų yra pridengti ne iš visų pusių. Kai susiliečia du tokie kūnai, jų paviršinių atomų branduoliai pritraukia gretimo kūno elektronus – atsiranda jėga, laikanti kūnus vieną prie kito. Ši jėga yra stipresnė, nei pačių branduolių tarpusavio stūmos jėga, nes elektronai bendrai paėmus yra arčiau svetimo branduolio, nei branduolys. Štai iš čia ir kyla ta jėga. Kuo kūnas sunkesnis, tuo arčiau paviršiniai branduoliai priartėja prie svetimų elektronų, ir tuo stipresnė sąveika. O jei sumažinamas sąlyčio plotas, padidėja slėgis, ir vėlgi atomai suartėja, kompensuodami ploto sumažėjimą.

Bet kuriuo atveju atstumas tarp dviejų paviršių yra gerokai didesnis, nei atomo matmenys, todėl suglausti kūnai "nesuauga" į vieną. Iš kitos pusės, kartais šitokia sąveika gali būti pakankamai stipri, kad nusvertų netgi gravitaciją. Būtent šitaip atsiranda dulkių sluoksniai apatinėje lentynos pusėje.

Riedėjimo trintis

Antra trinties rūšis, su kuria irgi esame gerai pažįstami – tai riedėjimo trintis. Jei jos nebūtų, tai bet koks riedantis objektas ant lygaus paviršiaus niekada ir nesustotų. Bet taip jau yra, kad visi kūnai turi masę, ir joks kūnas nėra visiškai šimtu procentų nespūdus. Taigi kai koks nors objektas padedamas ant kokio nors paviršiaus, jis pastarajame įspaudžia duobutę. Tokia deformacija daugeliu atvejų yra tampri, t.y. patraukus objektą, duobutė išnyksta (tačiau, pavyzdžiui, smėlyje ji lieka – tai viena iš priežasčių, kodėl smėliu važiuoti yra sunkiau, nei asfaltu). Bet jei objektas pastumiamas taip, kad riedėtų, jam visą laiką reikia judėti truputį įkalnėn, stengiantis išriedėti iš įsispaustos duobutės. O nors kiek pariedėjus, duobutė irgi pasislenka, taigi ir vėl tenka judėti įkalnėn. Toks procesas atima šiek tiek energijos iš objekto, tad ir riedėjimas po truputį lėtėja. Beje, ši trintis taip pat gali būti išreiškiama per trinties koeficientą, tik šįkart tas koeficientas matuojamas metrais – jis daugmaž nurodo įspaudžiamos duobutės gylį – o trintis išreiškiama nebe jėga, bet sukimo momentu (sunkio jėga, padauginta iš peties, šiuo atveju būtent to koeficiento).

Vertėtų atkreipti dėmesį, kad esant vienodoms sąlygoms, riedėjimo trintis visada yra gerokai mažesnė už šlyties trintį. Todėl ir stabdant automobilį, riedėjimo trintis yra nereikšminga – nors ratai ir sukasi, stabdymo darbą atlieka šlyties trintis. Visų pirma stabdžių kaladėlėse, lėtindama ratų sukimąsi, o paskui tarp ratų ir kelio, neleidžianti ratams praslysti, todėl lėtindama viso automobilio judėjimą. Pirmoji trintis yra stipresnė už antrąją, todėl nepraslystant ratams automobilis sustoja greičiau, nes tada jo stabdymą kontroliuoja būtent kaladėlės; pradėjus slysti, lėtėjimas įvyksta tik dėl šlyties trinties su keliu, kuri yra mažesnė, taigi ir stabdymo kelias ilgesnis.

Aerodinaminė trintis

Ši trintis dažnai vadinama "oro pasipriešinimu". Ji veikia bet kokį kūną, judantį per skystiminę terpę – skystį arba dujas. Tiesa, atsiranda ji dėl dviejų priežasčių. Skysčiuose svarbesnis būna klampumas, t.y. skysčio dalelių tarpusavio "sukibimas" ir priešinimasis bet kokiam judėjimui, kuris judintų skysčio sluoksnius vieną kito atžvilgiu. Tai kažkiek panašu į šlyties trintį, tik tiek, kad čia paviršių yra kone begalinis kiekis, ir kiekvienas prie trinties prisideda po truputį. Na o dujose, kurių klampumas praktiškai neegzistuoja, gerokai svarbesnis yra judančio kūno nuolatinis "trankymasis" į dujų atomus. Kiekvienas atomas, atsitrenkęs į kūną, atšoka. Taip pasikeičia atomo judesio kiekis, o pagal tvermės dėsnį, analogiškai turi pakisti ir judančio kūno judesio kiekis. Aišku, atomo masė yra beveik neabejotinai gerokai mažesnė, nei to judančio kūno, taigi vieno susidūrimo poveikis yra nykstamai mažas. Tačiau daugybė susidūrimų vienas po kito gali pastebimai pakeisti kūno judėjimo ne tik greitį, bet ir kryptį. Pastarasis efektas išnaudojamas lėktuvuose (uodegos vairo pasukimas sukuria pakankamai stiprų spaudimą į šoną, kad visas lėktuvas ima suktis) bei sportiniuose automobiliuose (oro slėgis į priekinį ir galinį sparnus prideda daug prispaudžiančios jėgos, taip padidėja automobilio stabilumas posūkiuose).

Šita trinties rūšis irgi sutinkama kasdien, tik nedažnai įvertinamas jos poveikis. Tai nėra keista, nes eidamas nelabai jauti oro pasipriešinimo, nebent vėjas priešpriešinis pučia. Bet kartais būtent dėl oro pasipriešinimo gali atsitikti labai keistų, neįtikėtinai atrodančių, dalykų.

Dinaminė trintis

Na ir paskutinė trinties rūšis yra tokia, kurią pavadinti trintimi turbūt retas sugalvotų. Bet būtent šitaip yra vadinamas astrofizikoje sutinkamas reiškinys, kai į žvaigždžių spiečių (arba galaktiką) įlėkęs kūnas po truputį ima prarasti pradinę savo trajektoriją ir galiausiai (jei pradinis greitis nebuvo per didelis) tampa to paties spiečiaus dalimi, kurios pagal judėjimą nebeatskirsi nuo senųjų narių.

Kaip tai įvyksta? Procesas truputį panašus į aerodinaminę trintį – tai yra pasėkmė daugybės sąveikų su atskiromis žvaigždėmis. Tik šįkart svarbūs ne tiesioginiai susidūrimai (tokie net ir spiečiuose vyksta labai retai, nes palyginus su atstumais tarp jų, žvaigždės yra mažytės), o gravitacinė sąveika. Kiekviena žvaigždė traukia tą pro šalį lekiantį kūną. Ir taip jau išeina, kad bendras tų pavienių traukų poveikis yra stabdantis bei "tempiantis" kūna artyn spiečiaus masės centro (tiesiog ta kryptimi daugiau žvaigždžių). Taip pat kartais kokia žvaigždė gali pralėkti sąlyginai labai arti ir trajektoriją pakeisti smarkiai, nes gravitacinė sąveika atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui, taigi arti esančios žvaigždės poveikis nustelbia net keturių dvigubai toliau esančių. Štai taip, lašas po lašo (ar tiksliau žvaigždė po žvaigždės) pirmasis kūnas ir "pamiršta" savo pradinę trajektoriją ir lieka spiečiaus dalimi. Savaime suprantama, tam reikia laiko, tad jei kūnas pro spiečių pralėks strimgalviais, tai jokia gravitacija ir dinaminė trintis nespės pasireikšti ir kažko smarkiai pakeisti.

Ši dinaminė trintis ir jos rezultatas, vadinamas dinamine relaksacija, yra labai naudingas metodas nustatinėti įvairių danguje matomų struktūrų tikrumui. Jei koks nors spiečius yra toks didelis, kad niekaip negalėjo relaksuotis per visą Visatos amžių, tai greičiausiai jis iš tikro ir nėra spiečius, o taip tik atrodo dėl projekcijos danguje. Galaktikų spiečiams galioja tokia pati taisyklė. Taip pat prielaida, jog darinys yra relaksuotas, leidžia įvertinti jo masę. Bet apie tai gal kitą kartą.

Štai taip daugmaž atrodo keturios trinties rūšys. Apie trintis tarp žmonių gal nerašysiu, nes tai jau sociologija arba psichologija, o ne astrofizika.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *