Friction

Friction

Friction is a force between two surfaces that are sliding, or trying to slide, across each other. For example, when you try to push a book along the floor, friction makes this difficult.

Friction always works in the direction opposite to the direction in which the object is moving, or trying to move. Friction always slows a moving object down.

The amount of friction depends on the materials from which the two surfaces are made. The rougher the surface, the more friction is produced. Friction also produces heat. If you rub your hands together quickly, you will feel them get warmer.

What is Friction?

‘Friction‘ is a force that resists motion of sliding or rolling of one object moving relative to another. It is a result of the electromagnetic attraction between the charged particles of two touching surfaces.  We find and use it everywhere and every day whenever objects come into contact with each other. Although it always acts in the direction opposite to the way an object wants to slide.

Classical view: According to the old view, a surface which is seen smooth to the naked eye has many irregularities when seen through a microscope. If two surfaces come in contact, the irregularities present get interlocked and a certain force is required to break it. This force measures the force of friction.

Modern view: When two surfaces come into contact, the actual microscopic area of contact is much less and the molecules at these points come so close to each other that a strong inter-molecular force acts on each other. So, a force is required to break it.

For example, we use car brakes if we want to stop or slow down because of the friction created between the brakes and wheels that slow/stop the car down.

Factors Affecting Friction

The force of friction may alter depending on the following factors that affect it:

1. two smooth surfaces are in contact, then the degree of friction between them is small because the interlocking between smooth surfaces is less.

2. When two rough surfaces in contact, then the degree of friction between them is large because the interlocking of between rough surfaces is too much.

3. It also depends on the weight of the object or on the amount of force applied on the surface by the object.

Fig. Graph of force of friction and applied force.

A graph between the applied force and force of friction is shown in the figure above. AD represents the maximum static friction called limiting friction. CB represents the kinetic friction. Kinetic friction may be of two types i.e. sliding frictionand rolling friction

TYPES OF FRICTION

1.  INTERNAL FRICTION

It arises on account of relative motion between every two layers of a liquid. Internal friction is also referred to as viscosity of the liquid.

Fluid Friction-

Source: Sea.edu.com 

When fluid layers are moving relative to each other, a type of friction occurs which is known as ‘fluid friction’. The internal resistance to the flow of fluids is termed ‘

‘viscosity’; in simple terms, the viscosity is nothing but ‘thickness’ of a fluid.

      2.    EXTERNAL FRICTION

It arises when two bodies in contact with each other try to move or there is an actual relative motion between the two. The external friction is also called contact friction.

EXTERNAL FRICTION IS OF THREE TYPES:

Static friction:-

It is the opposing force that comes into play when a body is at rest or tends to move over the surface of another body, but the actual motion has not yet started. Static friction is a self adjusting force because neither it has fixed magnitude nor direction. It adjusts according to the applied force.

Static friction is the only self adjusting force.

Static Friction is a Self Adjusting Force

When a block is at rest and no force is applied, the force of friction is zero. When the magnitude of the applied force is increased till it does not move, the magnitude of the static friction also increases and the direction of static friction and applied force are opposite. That means, the magnitude and direction of static friction adjusts itself according to the magnitude and direction of the applied force.

Limiting Friction:-

It is the maximum static friction beyond which body starts moving. It is the maximum friction force. It is not self-adjusting force.

Kinetic friction are of two types -

Sliding Friction

Source: Toondoo.com

‘Sliding friction’ is the frictional force between two surfaces that are rubbing against each other. It’s a very easy and common concept. It’s hard to find a perfectly smooth surface in the real life, therefore when an object slides on any surface, it undergoes a backward force because of the relative motion between the two adjacent surfaces. It always acts against the motion. For a static situation, the applied force that tries to slide the object is always equal to the force of friction acting on the object. There comes a certain moment that the object starts moving in the direction of the external force. This happens when we gradually increase the applied force. The force of friction that acts against the motion remains constant.

                           OR

It is the opposing force on a body which is in motion. It is given as, f = μN, ehere, μ is the coefficient of friction, and N is the normal reaction the body by the surface in contact.

Rolling Friction

Source: Tirebuyer.com

‘Rolling friction’ is the force that resists motion when an object rolls on a surface. Technically it’s not friction; its ‘rolling resistance’ since when a body rolls perfectly upon a surface, on paper, there is no sliding friction between that object and surface. But due to elastic properties in real life, both the bodies and the surface experience deformations due to contact between the bodies. Since the surface of contact is very small in real life hence the net normal force is also small and it is not enough like the static friction to prevent a body from sliding and keep it stationary and static friction increases with the increase in the external force; therefore rolling friction is usually less than the static.
                      OR

   Rolling friction – The opposing force that comes into play when one body is actually rolling over the surface of the other body is called rolling friction. For example, when a wheel , a circular disc or a ring or a sphere or a cylinder rolls over a surface , the force opposing it is the rolling friction.

  

Effects of Friction

1. It produces heat, that helps in heating parts of any object or to warm ourselves.

2. It also causes loss in power.

3. It’s because of friction that we’re able to walk, run, play, etc.

 4.  in simple terms, the viscosity is nothing but ‘thickness’ of a fluid.

Coefficient of Friction

The coefficient of friction (μ), is a measure of the amount of friction existing between two surfaces. A low value of the coefficient of friction indicates that the force required for sliding to occur is less than the force required when the coefficient of friction is high.

The value of the coefficient of friction is given by:

Transposing gives:

Frictional force = μ × Normal force

The direction of the forces given in this equation is as shown in the below figure.

The coefficient of friction is the ratio of a frictional force to a normal force and hence has no units.

Typical values for the coefficient of friction when sliding is occurring, i.e. the dynamic coefficient of friction, are:

• For polished oiled metal surfaces less than 0.1,
• For glass on glass 0.4,
• For rubber on tarmac close to 1.0.

In general, The coefficient of friction (μ) for dynamic friction is a little less than that for static friction.

However, for dynamic friction (μ) increases with speed; additionally, it is dependent on the area of the surface in contact.

ADVANTAGES OF FRICTION

Friction plays a vital role in our daily life. Without friction we are handicap.

1. It is becomes difficult to walk on a slippery road due to low friction. When we move on ice, it     becomes difficult to walk due to low friction of ice.

2. We can not fix nail in the wood or wall if there is no friction. It is friction which holds the nail.

3. A horse can not pull a cart unless friction furnishes him a secure Foothold.

4. We can write on a paper or on a board.

5. Friction helps in applying the brakes.

6. It helps in walking on floor.

7. Coffee mug stays on the dashboard

8. Shuffling across a carpet to shock someone

9. Draging of atmosphire with earth is possible

10. Helps to pevents the life on earth by burning astroids.

DISADVANTAGES OF FRICTION 

Despite the fact that the friction is very important in our daily life, it also has some disadvantages like:

1. The main disadvantage of friction is that it produces heat in various parts of machines. In this way     some useful energy is wasted as heat energy.

2. Due to friction we have to exert more power in machines.

3. It opposes the motion. 

4. Due to friction, noise is also produced in machines.

5. Due to friction, engines of automobiles consume more fuel which is a money loss. 

6. Machine efficency is decreased: energy input is lost to heat

7. Getting shocked by doorknobs

8. Rug burn

9. It counteracts movement and so it takes more energy to move, it can cause unwanted heat (e.g. in machine parts), and it wears things out like shoes.

10. Forest fires are caused due to friction between branches of trees

Applications of Friction:

In some applications, a low coefficient of friction is desirable, for example, in bearings, pistons moving within cylinders, on ski runs, and so on. However, for such applications as force being transmitted by belt drives and braking systems, a high value of the coefficient is necessary.

घर्षण

       किसी स्थिर ठोस वस्तु पर कोई दूसरी ठोस वस्तु इस तरह से रखी जाती है कि दोनों समतल पृष्ठ एक-दूसरे को स्पर्श करते है, तो इस दशा में दूसरी वस्तु को पहली वस्तु पर खिसकने के लिए बल लगाना पड़ता है l इस बल का मान एक सीमा से कम होने पर दूसरी वस्तु पहली वस्तु पर नहीं खिसक सकती है l इस कथन से यह स्पष्ट है की दोनों वस्तुए के सम्पर्क तल एक बल गती के विपरीत दिशा में उत्पन हो जाता है जो दूसरी वस्तु की गति में विरोध करता है l इस विरोधी बल को घर्षण (Friction) कहते है l

घर्षण एक बल है जो दो तलों के बीच सापेक्षिक स्पर्शी गति का विरोध करता है। घर्षण बल का मान दोनों तलों के बीच अभिलम्ब बल पर निर्भर करता है।

घर्षण के दो प्रकार हैं: स्थैतिक और गतिज। स्थैतिक घर्षण दो पिण्डों के संपर्क-पृष्ठ की समान्तर दिशा में लगता है, लेकिन गतिज घर्षण गति की दिशा पर निर्भर नही करता।

घर्षण का कारण

संपादित करें

सामान्यत: कोई सतह पूर्णतया चिकनी नहीं होती, अपितु उसमें अत्यल्प परिमाण के उठाव और गड्ढे होते हैं। इनको अच्छे सूक्ष्मदर्शी द्वारा ही देखा जा सकता है। अत: जब ऐसी दो सतहें एक दूसरे को स्पर्श करती हैं, तो एक सतह के उठाव दूसरी सतह के गड्ढों में फँस जाते हैं। इस अवस्था में एक सतह को दूसरी सतह पर खिसकाने के लिये बल लगाने पर सतह की बनावट में विकृत उत्पन्न हो जाती है। इसी के अनुरूप पदार्थो की प्रत्यास्थता के कारण प्रयुक्त बल की विरुद्ध दिशा में प्रतिबल कार्य करता है, जिसे घर्षणबल कहते हैं।

किसी ठोस पदार्थपिंड को ठोस सतह पर विस्थापित करने के लिये स्पर्श सतह के समांतर बल प्रयुक्त करना होता है। यदि प्रयुक्त बल एक निश्चित परिमाण (चरम घर्षणबल) से कम हुआ, तो पदार्थपिंड विस्थापित नहीं होता और यदि अधिक हुआ तो निश्चित वेग से विस्थापित होता है। ऐसा स्पर्श करनेवाली सतहों के बीच घर्षण के कारण होता है, जिससे तात्पर्य यह है कि ठोस पदार्थपिंड पर स्पर्श सतह के समांतर प्रयुक्त बल की विरुद्ध दिशा में एक बल कार्य करता है, जिसे घर्षण बल कहते हैं। घर्षण बल का कारण सतहों का खुरदुरापन होता है।

विस्थापन से पूर्व (जब पिण्ड स्थिर हों) घर्षणबल प्रयुक्त बल के बराबर होता है, जिसे स्थैतिक घर्षण कहते है। विस्थापन के लिये प्रयुक्त बल कम से कम इतने परिमाण का होना चाहिए कि विकृति चरम प्रत्यास्थता से अधिक हो। विस्थापन के लिये आवश्यक इस न्यूनतम बल के परिमाण को चरम घर्षणबल कहते हैं।

गति के समय भी पदार्थपिंड पर घर्षणबल कार्य करता है। इसका परिमाण मुख्यतया विस्थापन के प्रकार पर निर्भर करता है। एक ठोस पदार्थपिंड को ठोस सतह पर खिसकाकर या लुढ़काकर ही विस्थापित कर सकते हैं; अत: इन्हीं दो विस्थापन प्रकारों के अनुसार निम्नांकित दो प्रकार के गतीय घर्षण होते हैं।

१ - विसर्पी (sliding) घर्षण

२ - लुंठन (rolling) घर्षण

दोनों प्रकार की गतियों के लिये घर्षणबल का परिमाण निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जाता है :

Fb = bc x P

जबकि (Fb) घर्षणबल, (P) सतह पर अभिलंबी दाब तथा (bc) गतिज घर्षण स्थिरांक है, जिसका मान दोनों सतहों पर निर्भर करता है।

बेल्लन प्रतिरोध (Rolling resistance) या बेल्लन घर्षण (rolling friction या rolling drag) वह बल है जो किसी ऐसी वस्तु पर लगता है जो किसी तल पर बेलन्नी गति (रोलिंग मोशन) कर रही हो, न कि सर्पी गति (स्लाइडिंग मोसन)। उदाहरण के लिए, सड़क पर चलती हुई सायकिल या रेल पर चलती हुई रेलगाड़ी पर बेल्लनी घर्षण ही लगता है
                                OR
घर्षण (friction) : “घर्षण एक प्रकार का विरोधी बल है जो वस्तु के गति का विरोध करता है। ”

“जब दो वस्तुएं आपस में सम्पर्क में आती है तो उनके सम्पर्क पृष्ठ पर घर्षण बल कार्य करता है।

यह बल वस्तु के समान्तर या सम्पर्क पृष्ठ के समान्तर कार्य करता है। “

explanation : जब एक वस्तु को चित्रानुसार मेज पर रखते है तो मेज पर वस्तु द्वारा द्रव्यमान के कारण एक बल F = mg  लगाया जाता है। परिणाम स्वरूप मेज भी वस्तु पर प्रतिक्रिया के रूप में उतना ही बल विपरीत दिशा में लगाती है।

जिससे गुरुत्वीय बल F = mg और अभिकेन्द्रीय बल F = -mg दोनों आपस में निरस्त हो जाते है। और वस्तु पर परिणामी बल का मान शून्य हो जाता है , जिससे वस्तु मेज पर विराम अवस्था में पड़ी रहती है।

अब हम इस वस्तु पर कम परिणाम का बल क्षैतिज में आरोपित करते है लेकिन हम देखते है कि कम परिणाम का बल लगाने पर यह गति नहीं करती है , इसका तात्पर्य यह हुआ कि आरोपित बल का कोई विरोध कर रहा है . यह बल कौनसा है ?
जब वस्तु को मेज पर रखा गया तो मेज व वस्तु के सम्पर्क पृष्ठ पर चुम्बकीय बल कार्य करता है जो सतहों के आवेशित कणों के मध्य लगता है जिससे दोनों वस्तुएं एक दूसरे पर सम्पर्क बल लगाती है।
इस सम्पर्क बल को यदि घटकों के रूप में वियोजित किया जाये तो एक घटक स्पर्श सतह के लम्बवत होता है और दूसरा सम्पर्क सतह के समान्तर हो जाता है।  सम्पर्क बल का जो घटक लम्बवत होता है वह अभिलम्ब बल कहलाता है और जो बल सम्पर्क सतह के समान्तर कार्य करता है उसे ही घर्षण बल कहते है।

घर्षण बल हमेशा गति का विरोध करता है अर्थात जब किसी वस्तु पर बाह्य बल आरोपित किया जाता है तो घर्षण बल इस बाह्य बल के विपरीत कार्य करता है।
घर्षण बल दो प्रकार का होता है –
1. स्थैतिक घर्षण (static friction)
2. सर्पी अथवा गतिज घर्षण (kinetic friction)

1. स्थैतिक घर्षण (static friction)

जब किसी वस्तु पर बाह्य बल कार्य करता है लेकिन फिर भी वस्तु गति नहीं करती है तो बल के विपरीत जो घर्षण बल कार्य करता है उसे स्थैतिक घर्षण बल कहते है।

याद रखे यदि बल का मान धीरे धीरे बढाया जाये और जब तक वस्तु गति शुरू नहीं कर दे तब तक उस पर स्थैतिक घर्षण बल कार्यरत रहता है।

2. सर्पी अथवा गतिज घर्षण (kinetic friction)

अब यदि बाह्य बल को धीरे धीरे बढाया जाए तो वह धीरे धीरे गति करने लगती है , जब वस्तु गति करना शुरू कर दे तो उसकी सतहों के मध्य जो घर्षण बल कार्य करता है उसको गतिज घर्षण कहते है।

स्थैतिक और गतिज घर्षण में अन्तर

• स्थैतिक घर्षण तब कार्य करता है जब वस्तु विराम में हो , गतिज घर्षण तब कार्य करता है जब वस्तु गतिशील अवस्था में हो।
• स्थैतिक घर्षण का मान , गतिज घर्षण मान से कुछ होता है।

                                 OR

घर्षण  बल ( )

जब कोई वस्तु किसी  सतह पर फिसलती है तो स्पर्शी तलों  के मध्य एक विरोधी बल कार्य करने लगता है जो गति के विपरीत दिशा में कार्य करता है |इसी विरोधी बल को घर्षण बल (Friction) कहते हैं |

या दुसरे शब्दों में कहें तो घर्षण बल (Friction) वह विरोधी बल है जो दो सतहों के बिच होने वाली गति का विरोध करता हैं |

घर्षण के नियम (Laws of friction)

घर्षण बल अभिलम्ब प्रतिक्रिया R के अनुक्रमानुपाती होता है |

  f∝R

• घर्षण बल वस्तु के गति की दिशा के विपरीत दिशा में कार्य करता है |
• यह बल सतह की प्रकृति पर निर्भर करता है |
• घर्षण बल संपर्क तलों के क्षेत्रफल पर नहीं निर्भर करता |

अभिलम्ब प्रतिक्रिया (Normal Reaction) 

माना कि उपर चित्र में किसी मेज पर एक गुटका रखा है, जो की विरामावस्था में है तो उस समय उस पर दो बल कार्य कर  रहा है |

1. पहला इसके भार के कारण mg जो की इसके  गुरुत्व केंद्र से उर्ध्वाधर निचे की ओर कार्य कर रहा है |
2. दूसरा मेज द्वारा ठीक उर्ध्वाधर उपर की ओर गुटके पर आरोपित हो रहा है, जिसे प्रतिक्रिया बल (P ) कहते है |ये बल गुटके के गुरुत्व केंद्र से गुजरता है |

• P=mg के कारण ही गुटका मेज पर संतुलन की स्थिति में है |

घर्षण गुणांक (Coefficiant of friction)

घर्षण बल तथा अभिलम्ब प्रतिक्रिया बल के अनुपात को घर्षण गुणांक कहते है |

घर्षण गुणांक, µ=घर्षण बल/अभिलम्ब प्रतिक्रिया बल

μ= F/R

• घर्षण गुणांक मात्रकहीन तथा विमाहीन राशी है |
• इसका मान 0 से 1 के बिच ही होता है|

स्थैतिक घर्षण बल (Static friction in hindi) 

स्थैतिक घर्षण बल (Static friction in hindi)

अब जब गुटके पर एक छोटा सा क्षैतिज बल(F) बांयी ओर लगता है तो गुटका चलता नहीं परन्तु प्रतिक्रिया बल कुछ दायीं ओर झुक जाता है |इस बल को दो घटकों(लंम्बवत तथा क्षैतिज घटक ) में वियोजित करने पर जो  क्षैतिज घटक प्राप्त होता है, उसको स्थैतिक घर्षण बल fs (static friction)  कहते है |

f s ,F को संतुलित करता है और F के विपरीत दिशा में कार्य करता है |गुटका संतुलन में F=fs के कारण रहता है |वियोजन से  प्राप्त  लंम्बवत घटक गुटके पर अभिलम्ब प्रतिक्रिया (R) है जो की गुटके के भार को संतुलित(R=mg) करता है |

 

सीमांत घर्षण बल (Limiting friction in hindi) 

स्थैतिक घर्षण बल (Static friction in hindi)

अब यदि गुटके पर लगे बल F को थोड़ा और बढ़ा दे तो भी गुटका चलता नहीं परन्तु P थोड़ा और झुक जाता है जिससे ये पता चलता है कि f s फिर से F के बराबर हो गया जिससे गुटका आगे नही बढ़ा |जैसे –जैसे F बढ़ाते हैं f s बढ़ता चला जाता है परन्तु एक समय ऐसा आता है जब f s  और नहीं बढ़ता और इस समय गुटका चलने वाला ही होता है |

अतः “स्थैतिक घर्षण बल f s का अधिकतम मान ही सीमांत घर्षण बल (Static friction)  कहलाता है |”

• इस बल का मान संपर्क तलों की प्रकृति तथा खुरदुरेपन पर निर्भर करता है, परन्तु तलों के आकार और क्षेत्रफल पर निर्भर नही करता है |

 

गतिक घर्षण  बल (KINETIC FRICTION)

गतिक घर्षण  बल (KINETIC FRICTION)

अब जरा सा भी बल (F) बढ़ाने  से गुटका चल पड़ेगा और जब एक बार गुटका चल पड़ा तो दोनों तलों के बिच एक दूसरा  घर्षण बल कार्य करने लगता है,इस  घर्षण बल को गतिक घर्षण बल fk  कहते है | इस बल का मान सीमांत स्थैतिक घर्षण बल से कम होता है|

 

लोटनी घर्षण बल (Rolling Friction in hindi)

लोटनी घर्षण बल (Rolling Friction in hindi)

कोई बेलनाकार या गोलाकार वस्तु किसी सतह पर लुढ़कती है तो सतह और वस्तु के बिच जो घर्षण बल लगता है, उसे लोटनी घर्षण बल (Rolling friction) कहते हैं |

• लोटनी घर्षण बल  का मान फिसलन घर्षण बल  की अपेक्षा कम होता है |

सीमांत घर्षण बल > स्थैतिक घर्षण बल> गतिज घर्षण बल > लोटनी घर्षण बल

 

घर्षण बल से लाभ और हानि  

1. घर्षण बल से लाभ यह है कि हम घर्षण के कारण ही पृथ्वी पर बिना फिसले चल सकते है|
2. सभी वाहनों में ब्रेक घर्षण बल के कारण ही लगता है |
3. घर्षण बल के कारण ही हम बोर्ड पर  लिख सकते है|
4. इस बल से हानि यह है कि घर्षण के कारण ही मशीनों में उर्जा के  कुछ भाग की हानी  और मशीनों में टूट-फूट होती हैं |

 

घर्षण को कम करना

1. मशीनों में  स्नेहक(तेल या ग्रीस ) का प्रयोग करके|
2. बॉल बेयरिंग आदि का प्रयोग करके घर्षण को कम किया जा सकता है  |
3. गतिज घर्षण बल के अपेक्षा लोटनी घर्षण बल का प्रयोग करके |
4. साबुन का घोल तथा पाउडर का प्रयोग करके |