marruskadura

marruskadura

SARRERA DESBERDINA:

Marruskadura-indar

Fisikan, marruskadura-indarra —edo, besterik gabe, marruskadura— elkar ukitzen duten bi azalen arteko labainketari edo errodadurari kontra egiten dion indarra da.^[1] Marruskadura-indarra bi gorputzen ukipen-gainazaletan agertzen da, gainazalarekiko norabide perpendikularra du eta gorputzen elkarrekiko higidura tangentziala oztopatzen du ukipena galtzen ez den bitartean. Bi gorputzetan indar bana agertzen da aldi berean, bietan norabide berekoa, baina alderantziko noranzkoekin; alegia, gorputz bakoitzean indar batek eragiten du, eta bi indar horiek akzio-erreakzioko printzipioa betetzen dute.^[2]
Izatez, bi gorputzen gainazalek dituzten inperfekzio eta laztasunen ondorioz agertzen da marruskadura. Bi gorputzak elkarrekiko geldi daudenean (marruskadura estatikoa dagoenean), ez da energiarik xahutzen; bata bestearekiko higitzen ari direnean (marruskadura dinamikoa edo zinetikoa), ordea, energia xahutzen da marruskaduraren kausaz, eta prozesu horretan bi gorputzen energia zinetikoaren parte bat bero bihurtzen da.
Ariketak
Izatez, gorputzen arteko 'ukipena' kontzeptu makroskopikoa da. Izan ere, atomoen artean ez da ukipen kontzepturik erabiltzen; aitzitik, distantziarako indarrak kontsideratzen dira, 'kontakturik' gabeak. Baina gizakien zentzumenen mailara pasatzean, gorputzek elkar 'ukitu' egiten dutela ikusi edo sumatzen dugu.
Elkar ukitzen eta elkarrekiko tangentzialki higitzen ari diren bi solido zurrunen arteko indarra aztertzeko, lehenengo hurbilketa batean, marruskaduraren eredu estandarra erabiltzen da. Eredu sinpleena den honetan, bi solidoek elkarri egiten dizkioten ukipen-indarrak aztertzean, bi osagai kontsideratzen dira: osagai normala, ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{n}}}$, eta osagai tangentziala, ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{f}}}$. Baina, izatez, indar horiek gorputz desberdinetan eragiten dute, eta akzio-erreakzioko indarrak dira, alboko eskeman zoru horizontalean higitzen ari den solido baten arteko marruskadura-indarren kasuan modu grafikoan adierazita dagoen bezala.
Osagai normalak bi solidoen arteko presioa adierazten du, hau da, ukipenean daudela elkarri egiten dioten presioa eragiten duena. Hain zuzen ere, gorputz bakoitzak jasaten duen indarraren osagai normalaren norabidea gainazalaren perpendikularra da eta gorputzaren barrualderako noranzkoa du; hau da, alboko irudiko kasuan, zoruak gorputzari egina, gorantz, ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{n}}}$, eta gorputzak zoruari egina, beherantz, ${\displaystyle -{\boldsymbol {F}}_{\text{n}}}$.
Bestalde, osagai tangentzialak bi gorputzen higidura erlatiboa eragozteko edo frenatzeko ahaleginean dihardu (solido batean zein bestean). Hortaz, gainazalaren norabide ukitzailea duena izanik, zoruak gorputzari egindako osagai tangentzialak gorputzaren abiaduraren aurkako noranzkoa du, gorputza balaztatzekoa, eta azelerazio negatiboa sorrarazten du gorputzean (dezelerazioa ere esaten zaio). Alderantziz, gorputzak zoruari egindakoak zorua bera herrestan eramateko noranzkoa du, gorputzaren abiaduraren noranzkoan, zorua mugiarazteko gai izan zein ez. Izatez, ukipen-indarraren osagai tangentzial hori da marruskadura-indarra, ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{f}}}$ sinboloaz adieraziko duguna, horrela egiten delako nazioartean (azpi-indizeko ${\displaystyle {\text{f}}}$ horrek frikzio/friction hitza islatzen baitu).
Historikoki, marruskadura aztertzeko lehenengo ikerketak XVII. mendean egin ziren, bereziki Guillaume Amontons-en eskutik. Berak lorturiko emaitzen ondorioz, marruskaduraren lehenengo bi "lege klasikoak" proposatu zituen:
Egia esanda, marruskadura fenomenoa hiru lege horietan azaltzen dena baino korapilatsuagoa da, baina lehenengo hurbilketa batean, eredu teoriko hori nahikoa egokia dela esan dezakegu, fenomeno honen ezaugarri batzuk aztertzeko behintzat; hortaz, eredu horretaz baliotuko gara hurrengo azalpenetan.
Aurreko paragrafoan aipaturiko lehenengo legearen arabera, marruskadura-indarraren modulua eta ukipen-indarraren osagai normalaren balioa elkarren proportzionalak dira. Proportzionaltasun hori proportzionaltasun-konstante batez adieraz dezakegu, honelaxe: $${\displaystyle F_{\text{f}}=\mu F_{\text{n}}.}$$ Konstante horri marruskadura-koefizientea deritzo. Zehatz hitz eginda, erlazio hori bi gorputzak elkarrekiko higitzen ari diren kasuan aplikatzen da eredu teoriko honetan, eta ez elkerrekiko geldi dauden kasuan. Horregatik, marruskadura-indarraren neurria zehazki zein den adierazteko, bereizi egiten dira egoera estatikoa (bi gorputzak elkarrekiko mugitzen ari ez diren kasua) eta egoera dinamikoa (elkarrekiko higitzen ari direnean).
Demagun gorputz solido bat geldi dagoela zoluaren gainean, eta irristarazteko norabidean indar bat egiten zaiola kanpotik. Indarra ezartzean, marruskadura-indar bat sortzen da ukipen-gainazalean, kanpoko indarraren aurkako noranzkoan, gorputza geldi iraunarazteko ahaleginean. Kanpoko indarraren modulua txikia bada, marruskadura-indarra aski handia izango da kanpoko indarra anulatzeko, eta bi gorputzek geldi iraungo dute elkarrekiko. Baina kanpoko indarra mugako neurri bat baino handiagoa bada, marruskadura-indarra ez da gai izango kanpokoa anulatzeko. Mugako indar horren modulua era honetan dago erlazionaturik ukipen-indarraren osagai normalarekin: ${\displaystyle F_{\text{fs}}=\mu _{\text{s}}F_{\text{n}}}$. Hain zuzen ere, ${\displaystyle \mu _{\text{s}}}$ proportzionaltasun-konstanteari marruskadura-koefiziente estatikoa deritzo (nazioarteko sinboloaren ${\displaystyle {\text{s}}}$ azpi-indizea static hitzari dagokio). Beraz, kontuan izanik mugako indarra baino txikiagoa aplikatzean gorputzak egoera estatikoan irauten duela, honelaxe adierazten da marruskadura-indar estatikoaren balioa:
$${\displaystyle F_{\text{fs}}\leq \mu _{\text{s}}F_{\text{n}}.}$$ Kanpotik eginiko indarra hori baino handiagoa denean, gorputza higitzen hasten da, eta hortik aurrera egoera dinamikoa eduki beharko da kontuan. Agerikoa denez, marruskadura-indar estatikoaren adierazpen matematikoan desberdintza-sinboloa ageri da: ${\displaystyle \leq }$. Horrek esan nahi du ezen, marruskadura-indarra gorputza higitzen ez hasteko adina handi izango dela, harik eta mugako balio bateraino iristen den arte.
Gauzak horrela, portaera horrek bide ematen digu marruskadura-koefiziente estatikoaren balio maximoa zein den neurtzeko, Hain zuzen ere, angelu aldakorreko plano inklinatu batean egindako zeharkako neurketa batez kalkula dezakegu balio hori, ezkerraldeko irudian eskematikoki azalduta dagoen bezala. Planoaren aldapa poliki-poliki handiagotzen hasiz gero, ${\displaystyle \alpha }$ angelu txikietarako gorputzak geldi iraungo du, marruskadura-indarra aski izango da beheranzko higidura eragozteko. Baina angelua mugako balio batera iristean, doi-doi hasiko da irristatzen aldapan behera. Muga-angelu hori ${\displaystyle \alpha _{\text{L}}}$sinboloaz adieraziko dugu (${\displaystyle {\text{L}}}$ azpi-indizea limite hitzetik hartua). Zehazki, angelu horri dagokion tangente trigonometrikoa da marruskadura-koefiziente estatikoaren balioa: ${\displaystyle \mu _{\text{s}}=\tan \alpha _{\text{L}}}$.
Ukipenean dauden gorputzak elkarrekiko higitzen ari direnean, marruskadura-indarra antzera kalkulatzen da, baina marruskadura-koefiziente zinetikoa (dinamikoa ere esaten zaio) kontuan izanik. Alegia, marruskadura-indarra ukipen-indarraren osagai normalaren proportzionala izango da, gainazalaren paraleloa eta gorputzaren abiaduraren aurkako noranzkoa izango du. Honelaxe adieraz daiteke kasu honetako marruskadura-indarra, era bektorialean idatzita: $${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{fk}}=-\mu _{\text{k}}F_{\text{n}}{\boldsymbol {u}}_{v}.}$$ Adierazpen honetan ${\displaystyle \mu _{\text{k}}}$ marruskadura-koefiziente zinetikoa da (sinboloko ${\displaystyle {\text{k}}}$ hori kinetic hitzari dagokio) eta ${\displaystyle {\boldsymbol {u}}_{v}}$ gorputzaren abiaduraren norabideko bektore unitarioa); bestalde, marruskadura-indarrak abiaduraren aurkako noranzkoa duela esan nahi du minus zeinuak.
Orain arte egindako esperimentuetan egindako neurketen arabera, koefiziente zinetikoa beti da koefiziente estatikoa baino txikiagoa edo, gehien jota, berdina: ${\displaystyle \mu _{\text{k}}\leq \mu _{\text{s}}}$. Horrek adierazten du ezen indar handiagoa egin behar dela ukipenean dauden gorputzak elkarrekiko higiarazten jartzeko, jadanik higitzen ari direnak higitzen iraunarazteko baino.
Ondoko taulan gorputz solidoen arteko ukipen-gainazaletan neurturiko marruskadura-koefizienteen balioak erakusten dira, materialak bikoteka antolaturik eta bikote bakoitzaren kasuan koefiziente estatikoaren eta koefiziente zinetikoaren balioak emanik. Ikus daitekeenez, kasu guztietan betetzen da aurreko paragrafoan emaniko desberdintza.
Gorputz solido bat fluido baten barruan higitzen denean, marruskadura aztertzeko eredu sinpleenak ere bestelako kontzeptuak eduki behar izaten ditu kontuan. Fluidoaren barnean abiadura txikiz (edo ez oso handiz) higitzen diren solidoen kasuan esperimentuek erakutsi dutenez, hurbilketa ona da kontsideratzea ezen higidura oztopatzeko fluidoan sortzen den marruskadura-indarraren modulua abiaduraren proportzionala dela, abiaduraren norabide berekoa baina aurkako noranzkoduna. Hurbilketa horretan erabili ohi den eredu estandar sinplean, proportzionaltasun-konstantea bi koefizienteren bidez adierazi ohi da, honelaxe:$${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{f}}=-k\eta {\boldsymbol {v}}.}$$Bi koefiziente horiek esangura berezia dute: lehenengoa erlazionaturik dago gorputz solidoaren forma geometrikoarekin eta abiadurak forma horrekiko duen norabidearekin; bigarrena, fluidoaren izaera fisikoarekin dago erlazionaturik, edo zehatzago esateko, fluidoaren biskositatearekin. Banaka aztertuko ditugu bi koefizienteok.
Batetik, ${\displaystyle k}$koefizientea fluidoen barneko marruskadurari dagokion forma-koefizientea da (eite-koefizientea ere esaten zaio).^[3] Koefiziente honek gorputzaren formaren menpekotasuna du, eta baita gorputzaren abiadurak forma horrekiko duen norabide erlatiboarena ere. Gorputzak esfera forma badu (alegia, formarik sinpleena, norabide guztietan berbera), koefiziente horren balioa ${\displaystyle k=6\pi R}$ da. Balio horri Stokes-en legea deritzo, eta beraren dimentsio-ekuazioak erakusten duen bezala, luzera-dimentsioa du:$${\displaystyle [k]=[6\pi R]=[R]={\text{L}}.}$$Forna geometriko bakoitzak bere forma-koefizientea du; oro har, higidurarekiko perpendikularra den gorputzaren zabalerak eragina du horretan. Forma-koefizienteak marruskadura-indarrean duen eragina moteltzeko, gorputzari ahalik eta formarik aerodinamikoena ematen saiatzen dira diseinatzaileak.
Bigarren koefizienteak fluidoaren barne-marruskadura adierazten du eta biskositate-koefizientea deritzo. Hauxe da beraren dimentsio-ekuazioa:
$${\displaystyle [\eta ]=\left[{\frac {F_{\text{f}}}{kv}}\right]={\frac {{\text{M·LT}}^{-2}}{{\text{L·LT}}^{-1}}}={\text{ML}}^{-1}{\text{T}}^{-1}.}$$
Biskositatea fluidoen ezaugarri karakteristiko bat da, bertan higitzen diren gorputzei egiten dien erresistentziaren neurria adierazten duena. Fluido guztiek dute biskositatea; esate baterako, eztiak urak baino biskositate handiagoa du, eta horregatik zailagoa da koilara eztian higiaraztea uretan baino.
Fluidoaren barneko marruskaduraren efektuak nolakoak diren ulertzeko, adibide gisa, fluido batean (uretan edo airean, kasu) grabitatearen eraginpean erortzen ari den esfera baten higidura aztertuko dugu. Alboko irudian eskematikoko adierazita dagoen bezala, hiru indar
ari dira eragiten esfera horretan: grabitatearen ondoriozko pisua, ${\displaystyle m{\boldsymbol {g}}}$, Arkimedesen goranzko bultzada, ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{A}}}$, eta fluidoaren marruskadura-indarra, ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{f}}}$. Esferaren higidura aztertzeko, Newtonen bigarren legea erabiliz, honelaxe idatz dezakegu higidura horri dagokion ekuazioa:$${\displaystyle m{\boldsymbol {a}}=m{\boldsymbol {g}}+{\boldsymbol {F}}_{\text{A}}+{\boldsymbol {F}}_{\text{f}}.}$$Ekuazio horretako ${\displaystyle m{\boldsymbol {g}}}$ eta ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{A}}}$ indarrek balio konstantea dute, baina marruskadura-indarra abiaduraren menpekoa da: ${\displaystyle {\boldsymbol {F}}_{\text{f}}=-k\eta {\boldsymbol {v}}}$. Abiadura zenbat eta handiagoa izan, are handiagoa izango da marruskadura-indarrak gorputza balaztatzeko izango duen gaitasuna eta horrek eragina izango du solidoaren dezelerazioaren neurrian. Dezelerazio horren kausaz gorputzak ezin ahalko du gainditu abiadura jakin bat, muga-abiadura deituko duguna.
Fluidoan beherantz erortzen ari den solidoa muga-abiadurara nola iristen den ulertzeko, kasu sinple bat aztertuko dugu, fluido batean grabitatearen eraginpean bertikalki erortzen ari den solidoarena, hain zuzen. Indar guztiek norabide bertikala dutenez, honelaxe idatzi ahalko dugu aldi bakoitzean azelerazioaren moduluari dagokion ekuazioa: $${\displaystyle ma=(mg-F_{\text{A}})-k\eta v.}$$Adierazpen honetan azelerazio positibotzat hartu dugu beheranzkoa (grabitatearena, alegia). Bestalde, Arkimedesen bultzadaren balioa solidoak desplazaturiko fluidoaren ${\displaystyle m_{\text{A}}g}$ pisuari dagokiona dela kontuan izanik, honelaxe idatz dezakegu ekuazio hori:$${\displaystyle ma=(mg-m_{\text{A}}g)-k\eta v\rightarrow a={\frac {m-m_{\text{A}}}{m}}g-{\frac {k\eta }{m}}v.}$$Ekuazio horretako lehenengo terminoa konstantea da, ${\displaystyle {\frac {m-m_{\text{A}}}{m}}g}$ baliokoa; bigarrenak abiaduraren menpekotasuna du, ${\displaystyle -{\frac {k\eta }{m}}v}$. Ikus dezagun zer eragina duten azelerazioarn balioan.
$${\displaystyle v_{\text{L}}={\frac {m-m_{\text{A}}}{k\eta }}g.}$$
Denboraren arabera abiadurak daukan eboluzioa aztertzeko, bi kasu berezi aztertuko ditugu:

Ziurrenik, noizbait ikusi duzu bideo harrigarriren bat, zeinean aldiune desberdinetan ondoz ondo hegazkinetik jauzi egidako paraxutistek elkartu egiten diren airean handik gutxira, elkarrekin egitura geometriko harrigarriak osaturik tarte batean. Hori guztia paraxutak ireki aurretik egiten dute, noski, gero banandu egiten baitira era bizkorrean, zeinek bere paraxuta irekitzeko eta gozo-gozo lurreratzeko.
Fisikako terminoetan oso azalpen argia dauka ariketa horrek. Paraxutista bakoitzak badaki kontrolatzen erorketa libreko muga-abiadura. Horretarako, gorago aipaturiko bere gorputzaren forma-koefizienteaz baliatzen da. Beso-hanken eta gorputzaren uzkurduren bidez forma desberdinak gauzatuz eta horrela forma-koefizientea handiagotu edo txikiagotuz, aldatu egin ditzake marruskadura-indarra, higiduraren norabidea eta erorketako muga-abiadura. Modu horretan, taldeko paraxutistek elkarren albora bil daitezke, eta guztiok abiadura berean jaitsi denbora-tartetxo batean. Zer esanik ez, horretarako hainbat entrenamendu egin behar dituzte... eta gero paraxuta garaiz ireki.