Hõõrdumine

Kujutle end jooksmas libedal tänaval või uisuväljal. Jalad ei saa jäält tuge ja libisevad tagasi. Liikumissuunda saab muuta, haarates puust või postist. Peatumiseks pead sa laskma üsna pika liu. Liivatatud tänaval sellist olukorda ei teki, liiv suurendab hõõrdumist maapinna ja taldade vahel. Just hõõrdumise tõttu saab inimene liikuda, peatuda ja muuta liikumise suunda. Hõõrdumise tõttu püsivad naelad puidus ja taimed mullas. Hõõrdumine esineb masinates kõigi liikuvate osade vahel.

Kehade pinnad on karedad, mikrokonarustega. Konarusi on näha luubiga või tunda, kui käega üle keha pinna libistada. On selge, et haardunud konarused takistavad liikumist. Mida karedamad on pinnad, seda tugevam on pindade haardumine.

Joonisel kujutatakse hõõrdejõudu F_h noolega hõõrduvate pindade juures. Hõõrdejõud on alati vastassuunaline keha liikumist põhjustava jõuga F.

Hõõrdejõu omaduste kindlakstege­miseks teeme mõned lihtsad katsed. Olgu meil näiteks puust klots horisontaalsel puust laual. Kinnitame klotsi külge dünamomeetri ja hakkame dünamomeetrit tõmbama, suurendades järk-järgult dünamomeetrile rakendatavat jõudu.

Katse näitab, et väikese jõu korral klots liikuma ei hakka. Liikumist takistab klotsi ja pinna vaheline hõõrdejõud. Hõõrdejõud on võrdne dünamomeetri poolt rakendatava jõuga, aga suunalt vastupidine (kui klots ei liigu, on temale mõjuvad jõud tasakaalus). Hõõrdejõudu, mis takistab keha liikumahakkamist teda mõjutava jõu toimel, nimetatakse seisuhõõrdejõuks.

Suurendades järk-järgult klotsile mõjuvat jõudu, hakkab klots teatava jõu F_m ületamisel liikuma. Maksimaalset jõudu F_m, mille korral paigalseisvat keha mõjutades keha veel paigal püsib, nimetatakse maksimaalseks seisuhõõrdejõuks.

Seisuhõõrdejõud on meie elus väga oluline. See võimaldab meil liikuda. Kõndimisel ja jooksmisel me püüame end ettepoole tõugata. Selle jõu tasakaalustab hõõrdejõud teepinna ja jalanõude vahel. Kui hõõrdejõudu üldse ei oleks, ei saakski me liikuda. Näiteks on raske kiiresti liikuda jäisel pinnal, sest väikese hõõrdejõu tõttu hakkavad jalad jääl tagasi libisema.

Kui keha on hakanud teise keha pinnal libisema, siis nimetatakse kehadevahelist hõõrdejõudu liugehõõrdejõuks. Katse näitab, et kehadevaheline liugehõõrdejõud F_l on väiksem maksimaalsest seisuhõõrdejõust F_m. See tähendab, et kui keha hakkab välise jõu mõjul liikuma, siis selleks, et keha liiguks ühtlaselt, peame vähendama välist jõudu. Ühtlasel liikumisel on jõud tasakaalus ja väline jõud on sel juhul võrdne pindadevahelise liugehõõrdejõuga.

Miks see nii on, illustreerivad järgmised joonised.

Vasakul on kokkupuutuvad pinnad olukorras, kus keha veel ei liigu. Krobelised pinnad on tihedalt teineteise vastas. Kui keha on hakanud libisema (parempoolne pilt), tõuseb ta veidi kõrgemale, mistõttu konarused takistavad liikumist vähem.

Katsete tulemusena saame joonistada välja kehale mõjuva hõõrdejõu sõltuvuse ajast, kui paneme keha paigalseisust liikuma.

Alustame sellest, et suurendame ühtlaselt paigalseisvale kehale mõjuvat jõudu, sellega koos suureneb võrdeliselt ka hõõrdejõud (seisuhõõrdejõud). Kui jõud saab väärtuseks F_m, hakkab keha libisema. Selleks, et keha liiguks edasi ühtlase kiirusega, peame vähendama välisjõudu, et see saaks võrdseks keha ja pinna vahelise liugehõõrdejõuga F_l (siis on kehale mõjuvad jõud tasakaalus).

Oletame, et katsetasime 0,4 kg massiga puuklotsiga puitpõrandal. Kui klots hakkas libisema näiteks F_m = 2,7 N ületamisel, oli meie katses ühtlasel libisemisel hõõrde­jõud F_l = 2,4 N.

Näiteks kui hakata lükkama kappi ja kapp ei liigu kohalt, siis tõukamise jõu tasakaalustab kapi ja põranda vaheline seisuhõõrdejõud. Mida tugevamalt tõugata, seda suurem on ka vastu toimiv seisuhõõrdejõud. Ühel hetkel hakkab kapp liikuma, tõukejõud on ületanud suurima seisuhõõrdejõu. Kogemus ütleb, et kapp hakkab liikuma teatud nõksatusega. Edasi on kapi nihutamiseks teisele kohale vaja rakendada juba väiksemat jõudu, sest nüüd mõjub kapi ja põranda vahel liugehõõrdejõud, mis on väiksem kui maksimaalne seisuhõõrdejõud.

Uurides, millest sõltub liugehõõrdejõud, võib juba üldistest kaalutlustest öelda, et ennekõike kokkupuutuvatest pindadest ja nende karedusest. Edasine uurimine aga näitab, et hõõrdejõud ei sõltu kokku­puutuvate pindade suurusest, vaid sellest, millise jõuga libisev keha alusele mõjub ehk rõhumisjõust. Kui vaadata hõõrdumist libisemisel horisontaalsel pinnal, on selleks libisevale kehale mõjuv raskus­jõud. Katsetades erineva massiga kehadega ja mõõtes ära liugehõõrde­jõu, näeme, et hõõrdejõud on võrdeline raskusjõuga. Selle võime kirjutada kujul

F_l = $\[ \mu \]$F_r = $\[ \mu \]$mg,

kus F_r on libisevale kehale mõjuv raskusjõud ja võrdetegurit $\[ \mu \]$ (kreeka väiketäht müü) nimetatakse liugehõõrdeteguriks. Hõõrdetegur sõltub kokkupuutuvatest pindadest (sellest, millisest materjalist on pinnad) ja nende karedusest. Hõõrdetegur on ühikuta ehk dimensioonita suurus, sest ta seob omavahel kahte jõudu – raskusjõudu ja sellest tingitud hõõrdejõudu.

Hõõrdejõu üheks oluliseks rakenduseks on sõidukite pidurid. Sõidukite pidurid paiknevad nende ratastel. Jalgratastel on eriline pind, mille vastu piduriklotsid surutakse. Autodel on piduriketas. Mida tugevamini klotsid vastu piduriketast suruda, seda suurem on hõõrdejõud ja seda kiiremini sõiduki kiirus väheneb.

Auto puhul on kuiva asfaldi ja heade rehvide vaheline liugehõõrdetegur $\[ \mu \]$ = 0,8. Kui auto mass on 1,5 t, siis liugehõõrdejõud on F_l = 0,8 · 1500 · 10 = 12 000 N = 12 kN. See tähendab, et kui autorattad tugeval pidurdamisel blokeerida ja auto hakkab teel libisema, siis selle liugehõõrdejõu 12 kN mõjul auto teatud aja möödudes peatub. Kui auto sõidab teel ilma libisemiseta, on maksimaalne hõõrdejõud F_m = 13,5 kN, mis on libisemisel mõjuvast hõõrdejõust oluliselt suurem. Kui aga sama auto sõidaks jäisel pinnal, oleks liugehõõrdetegur umbes kaheksa korda väiksem, $\[ \mu \]$ = 0,1. Hõõrdejõud oleks siis samuti kaheksa korda väiksem, F_l  = 1,5 kN. Rataste blokeerumisel oleks nüüd liikumist takistav hõõrdejõud kaheksa korda väiksem ja auto pidurdustee kordades pikem. Samuti sõltub pidurdustee auto kiirusest: mida suurem kiirus, seda suurem pidurdustee.

Kuivhõõrdumine tähendab, et liuguvad puhtad ja kuivad pinnad. Vedelikhõõrdumise korral on vastastikku liuguvate pindade vahel vedelik. Vedelik täidab konaruste vahed ja liuguvad pinnad ei puutu omavahel kokku. Sellega väheneb oluliselt hõõrdejõud ja ka pindade kulumine. Tehnilistes seadmetes kasutakse õli. Nüüdisaegsed õlid on nii kvaliteetsed, et näiteks auto liikuvad osad võimaldavad mitmesaja tuhande kilomeetri läbimist, enne kui kulumise tõttu vajavad vahetamist.

Sõites kiiresti läbi veelombi või tihedas vihmasajus, võib auto rataste alla jääda veekiht. Kui nüüd pidurdada, siis auto libiseb veekihil ja kiirus oluliselt ei vähene. Sõidusuuna muutmisel ei allu auto roolipöördele ja sõidab otse edasi – auto on juhitamatu. See on vesiliug, auto rehvid ei haaku teepinnaga (joonis 1).

Vesiliu vähendamiseks (joonis 2) tehakse rehvi pinda kanalid, mille kaudu saab ratta alla sattunud vesi teekatte ja rehvi vahelt välja (joonis 3). Sellele vaatamata võib tekkida vesi­liug liiga suure kiiruse korral, sest siis ei jõua rehvi kanalid kogu vett ratta alt ära juhtida.

Hõõrdejõu vähendamiseks kasutatakse rattaid. Ratta leiutamist peetakse inimkonna üheks tähtsamaks saavutuseks. Arvatakse, et ratas leiutati selleks, et suuri koormaid ühest kohast teise viia. Koormate lohistamine osutus liiga raskeks. Ratta kasutamisega ei saa hõõrdumisest vabaneda, kuid see osutub liugehõõrdumisest oluliselt väiksemaks. Veeremisel esinevat hõõrdumist nimetatakse veerehõõrdumiseks.

Algselt esines ratta ja selle telje vahel ikkagi liugehõõrdumine. Hiljem pandi ratta ja telje vahele kuullaager. Kuullaager võimaldab hõõrdumist oluliselt vähendada, sest liugehõõrdumine on asendatud kuulide veerehõõrdumisega.

1. Vasta õppetüki alguses olevatele küsimustele.
2. Too näiteid olukordadest, kus hõõrdumine on vajalik ja kus hõõrdumine on kahjulik.
3. Miks liuguvad pinnad kuluvad?