Ero sivun ”Kitka” versioiden välillä

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Selaa historiaa interaktiivisesti
[katsottu versio][arvioimaton versio]
← Vanhempi muutosUudempi muutos →
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
VisuaalinenWikiteksti
p Käyttäjän 2001:14BB:70:E8BA:6880:1F9C:EA7C:1D9D muokkaukset kumottiin ja sivu palautettiin viimeisimpään käyttäjän Jmk tekemään versioon.
Ei muokkausyhteenvetoa
Rivi 3: Rivi 3:
'''Kitka''' eli '''liikevastus''' on kahden [[kiinteä olomuoto|kiinteän]] kappaleen toisiaan koskettavien pintojen välissä ilmenevää liikettä, tai liikkeen alkamista vastustava [[voima (fysiikka)|voima]]. [[Neste]]illä on sisäinen kitka, eli [[viskositeetti]], joka vaikuttaa nesteen juoksevuuteen. Nesteitä käytetään vähentämään liikepintojen välistä kitkaa.
'''Kitka''' eli '''liikevastus''' on kahden [[kiinteä olomuoto|kiinteän]] kappaleen toisiaan koskettavien pintojen välissä ilmenevää liikettä, tai liikkeen alkamista vastustava [[voima (fysiikka)|voima]]. [[Neste]]illä on sisäinen kitka, eli [[viskositeetti]], joka vaikuttaa nesteen juoksevuuteen. Nesteitä käytetään vähentämään liikepintojen välistä kitkaa.


'''Kitkakerroin''' on [[normaalivoima]]n ja kitkavoiman suhdeluku ja sitä voidaan käyttää eri materiaalien keskinäisen kitkan vertailemiseksi. Kitka on ilmiö, jonka voittamiseksi kappaleen on tehtävä [[Työ (fysiikka)|työtä]] yhtälön ''W = Fs'' mukaisesti. Tällöin kappaleeseen varastoitunutta [[energia]]a muuttuu muiksi energian muodoiksi, kuten [[Lämpö|lämmöksi]].
'''Kitkakerroin''' on [[normaalivoima]]n ja kitkavoiman suhdeluku ja sitä voidaan käyttää eri materiaalien keskinäisen kitkan vertailemiseksi. Kitka on ilmiö, jonka voittamiseksi kappaleen on tehtävä [[Työ (fysiikka)|työtä]] yhtälön ''W = Fs'' mukaisesti. Tällöin varastoitunutta [[energia]]a muuttuu muiksi energian muodoiksi, kuten [[Lämpö|lämmöksi]].


== Mitä kitka on? ==
== Mitä kitka on? ==

Versio 11. syyskuuta 2017 kello 09.50

Kitkavoima Ff vastustaa voimaa F.
Tämä artikkeli käsittelee fysikaalista ilmiötä. Kitkan muita merkityksiä, katso täsmennyssivu.

Kitka eli liikevastus on kahden kiinteän kappaleen toisiaan koskettavien pintojen välissä ilmenevää liikettä, tai liikkeen alkamista vastustava voima. Nesteillä on sisäinen kitka, eli viskositeetti, joka vaikuttaa nesteen juoksevuuteen. Nesteitä käytetään vähentämään liikepintojen välistä kitkaa.

Kitkakerroin on normaalivoiman ja kitkavoiman suhdeluku ja sitä voidaan käyttää eri materiaalien keskinäisen kitkan vertailemiseksi. Kitka on ilmiö, jonka voittamiseksi kappaleen on tehtävä työtä yhtälön W = Fs mukaisesti. Tällöin varastoitunutta energiaa muuttuu muiksi energian muodoiksi, kuten lämmöksi.

Mitä kitka on?

Kitka johtuu pohjimmiltaan kappaleiden välisten todellisten kontaktien takana muodostuvan uuden pinnan luomiseen tarvittavasta työstä, sillä jokaiseen pintaan liittyy termodynaaminen pintaenergia[1][2]. Vastaavasti kitkalämmitys johtuu kontaktien edessä katoavan pinnan vapauttamasta pintaenergiasta. Kokonaisuudessaan kitka on ilmiönä vaikeasti kuvattavissa, koska siihen vaikuttavat hyvin monet syyt, kuten koskettavien materiaalien kemiallinen koostumus, pintojen rakenne, väliaineet (esimerkiksi öljy ja vesi), staattinen sähkö ja ympäristön olosuhteet (esimerkiksi paine, lämpötila ja ilmankosteus). Kitkan tutkimus on oma tieteenalansa, jota kutsutaan tribologiaksi.

Kappaleille on olemassa sekä lepokitka että liikekitka. Lepokitka pyrkii vastustamaan liikkeelle lähtöä, ja liikekitka pyrkii pysäyttämään jo alkaneen liikkeen. Lepokitka vaikuttaa siis kappaleen nopeuden ollessa nolla, ja liikekitka vaikuttaa, kun kappaleella on jokin liikenopeus. Lepokitka on yleensä suurempi kuin kappaleen liikekitka.[3] Tunnetaan myös tapauksia, joissa liikekitka on suurempi kuin lepokitka.[4]

Lepokitka estää kappaletta lähtemästä liikkeelle. Pintoja toistensa suhteen levossa pitävä lepokitkavoima on olosuhteisiin mukautuva voima (kuten tuki ja jännitysvoimat), jonka suunta ja suuruus riippuvat muista kappaleeseen vaikuttavista voimista siten, että kappale pysyy paikoillaan, niin kauan kuin muiden vaikuttavien voimien summa on enintään yhtä suuri kuin tietty suurin arvo, jonka lepokitka voi saada. Tätä suurinta lepokitkan arvoa sanotaan lähtökitkaksi[3]. Tämän seurauksena kappaleen lähdettyä liikkeelle sen liikkeessä pitämiseen tarvitaan vähemmän voimaa kuin liikkeelle saamiseen käytettiin.

Vierintävastus eli vierimiskitka on kappaleen vierimistä vastustava voima.

Kitkaa koskevia sääntöjä[5]:

  • Kitkavoiman ja kuormittavan voiman suhde pysyy vakiona esimerkiksi kuorman kasvaessa ja tätä vakiota sanotaan kitkakertoimeksi.
  • Kun liikutetaan kappaletta pinnalla, kappaleen pintaa vasten oleva pinta-ala ei vaikuta kitkavoiman suuruuteen.
  • Kappaleen liikenopeus ei vaikuta kitkavoiman suuruuteen.
  • Lepokitka on suurempi kuin liikekitka.

Säännöt toimivat monissa tapauksissa likimäärin, mutta kaikkiin näihin sääntöihin löytyy myös poikkeuksia.

Kitkakerroin

Kitkakerroin on kappaleen liikkeelle saattamiseen tarvittavan voiman F ja kappaletta pintaan puristavan voiman pintaa vastaan kohtisuoran komponentin N suhde:

Laskukaavalla voidaan laskea lepokitkakerroin ja liikekitkakerroin. Kitkakertoimet eri aineiden välille on määritetty kokeellisesti. Suurimmalla osalla aineista kitkakerroin on pienempi kuin 1. Kiihdytyskisoissa tien ja renkaan välinen pinta valellaan tahmealla kitka-aineella, koska paljaan asfaltin kitkavoima ei riitä välittämään kiihdytysauton tehoa tiehen - tämän kitka-aineen kitkakerroin saattaa olla yli 1.[6]

Kitkakertoimeen perustuvasta kitkan laskemisesta on huomioitava, että kyseessä on matemaattinen yksinkertaistus, joka kätkee kaikki muut kitkaan vaikuttavat tekijät kuin kokeellisesti mitatun kahden materiaalin välisen kitkan. Kirjallisuuden esittämät arvot kitkakertoimille vaihtelevat tai niissä annetaan vain arvoalue. Vaikka kitkakerrointarkastelu ei selitä kitkan luonnetta, niin moneen konetekniikan tarpeeseen tämäkin riittää, erityisesti erilaisten rakenneratkaisujen vertailuun.

Lepo- ja liikekitkakertoimia (ohjeellisia)[7]
Materiaalipari Lepo Liike
Teräs-jää 0,027 0,014
Teräs-teräs (voitelu) 0,11 0,05
Teräs-teräs (ei voitelua) 0,15 0,12
Kumi-jää (märkä) 0,1 0,08
Kumi-jää (kuiva) 0,2 0,15
Kumi-asfaltti (märkä) 0,6 0,5
Kumi-asfaltti (kuiva) 0,8 0,7
Puu-kivi 0,7 0,3
Puu-puu 0,5 0,3
Teflon-teflon 0,04 0,04

Muut kitkavoimat

Vierintävastus

Pääartikkeli: Vierintävastus

Vierintävastus on voima, joka vastustaa pyörän tai muun pyöreän kappaleen vierimistä pinnan yli. Vierimiskitka johtuu pääosin kappaleen ja pinnan muodonmuutoksista. Yleisesti vierimiskitka on pienempi kuin vastaava liikekitka. [8] Yleisin esimerkki vierintävastuksesta on moottoriajoneuvon pyörät tiellä, jossa syntyy sivutuotteena lämpöä ja melua.[9]

Kitkan hallitseminen

Kitkaa voidaan usein pienentää muun muassa pintoja tasoittamalla tai käyttämällä voiteluaineita, sekä muuttamalla liukuminen vierimiseksi (esimerkiksi kuulalaakerit tekniikassa). Tällöin kitkaa vastaan tehdyn työn määrä vähenee. Pintojen tasoittaminen voi johtaa myös kitkan kasvamiseen, jos todellisten kontaktien koko kasvaa. Kitkavoima on vektorisuure ja sillä on siis suuruuden lisäksi aina myös suunta.

Kitkaa voidaan myös optimoida, kuten autojen renkaiden pidon hallitsemiksi pyrkimällä välttämään lepokitkaa tuntuvasti pienempi liukukitkatilanne renkaan luistaessa.[10] Pyörivällä kappaleella on kosketuspinnassa lepokitka. Jos jarrutuksen tai sivuluisun vuoksi renkaiden pyörimisliike loppuu, renkaiden ja tienpinnan välinen liikekitka on auton liikkeen suuntainen riippumatta pyörien asennosta ja ohjattavuus katoaa.[10] Tähän ongelmaan on kehitetty lukkiutumattomia jarruja (ABS), luistonestojärjestelmiä ja ESP-ajovakautusjärjestelmiä. Ajoneuvojen renkaissa vierintävastus syntyy renkaan muodonmuutoksiin kuluvasta energiasta. Renkaiden muodonmuutosten voimakkuuteen vaikuttaa renkaiden ilmanpaine, lämpötila ja kuormitus.[11] Auton pyörän (rengas ja vanne) ja tien pinnan välinen kitka on kuitenkin erittäin monimutkainen ilmiö, renkaiden kehityksen kannalta edelleen pitkälti kokeellista tiedettä edustava ilmiö. Ilmiössä ei suoraan päde klassinen kitkateoria, jossa maksimikitkakerroin on yksi, joka pätee vain äärettömän jäykkien kappaleiden kosketukseen.[10]

Maailman mittakaavassa arvioiden kitkan voittamiseen kuluvan noin kolmasosa tuotetusta energiasta. Uusilla teknologioilla, muun muassa timanttipinnoitteella, energiankulutus voitaisiin saada vähenemään 2–10 prosenttia.[12]

Käytännön sovelluksia

Teiden kaltevuudet ilmoitetaan pystysiirtymän ja vaakasiirtymän suhteena prosentteina. Tällöin kitkakertoimen on oltava suurempi kuin kaltevuudesta laskettu prosenttikerroin, jotta paikoillaan oleva auto ei lähde luisumaan alaspäin. Mäen ajamiseksi ylös tarvitaan myös alkuvauhtia, jos kitkakerroin on pienempi kuin edellä mainittu prosenttikerroin. Koska kumin jä märän jään välinen lepokitkakerroin on edellä olevan taulukon mukaisesti 0,1, ovat yli 10 % kallistukset talvella haasteellisia ilman nastarenkaita. Kuivalla jäällä voi edellä esitetyn taulukon mukaisesti jopa 20 % kaltevuudella ajaa ylöspäin ilman alkuvauhtia ja nastoja. Etenkin liikeelle lähdettäessä sutiminen voi kuitenkin sulattaa jään pinnan ja laskea kitkakertoimen 0,1:een, jolloin auto alkaa luisua alaspäin. Edellä esitetyt kumin ja jään väliset kitkakertoimet eivät täysin päde kitkarenkaille.

Katso myös

Lähteet

  1. ↑ Makkonen, Lasse: A thermodynamic model of sliding friction. AIP Advances, maaliskuu, 2012, 2. vsk, nro 1. American Institute of Physics. Artikkelin verkkoversio.
  2. ↑ Makkonen, Lasse: Kitka sai vihdoin selityksen. Tiede, lokakuu 2012, s. 34-35. Tieteen tiedotus ry.
  3. ↑ a b Insinöörityön tiivistelmä (30.4.2010) Viitattu 10.7.2010
  4. ↑ S.A.R. Naga, S.M.H. Naga ja M.O.A. Mokhtar: Kinetic frictional behaviour of alumino-silicate ceramics. Tribology International, 1992, 25. vsk, nro 2, s. 129–134. (englanniksi)
  5. ↑ Helsingin Sanomien Tiede ja luonto sivu 17.2.2009
  6. ↑ http://www.tekniikkatalous.fi/metalli/article30045.ece
  7. ↑ Haavisto, Anja & Karkela, Lea & Varho, Kiuru: ”Taulukoita”, MAOL-taulukot, s. 82. Helsinki: Otava, 1991. ISBN 951-1-16053-2
  8. ↑ Silliman, Benjamin (1871) Principles of Physics, Or Natural Philosophy, Ivison, Blakeman, Taylor & company publishers
  9. ↑ Hogan, C. Michael: Analysis of highway noise. Water, Air, and Soil Pollution, 1973, 2. vsk, nro 3, s. 387. doi:10.1007/BF00159677
  10. ↑ a b c Ketonen, Tapio: Renkaan pyöriessä tien päällä. Mikä kitka? Tuulilasi. 25.3.2011. Viitattu 26.11.2011. Suomi
  11. ↑ http://www.nokianrenkaat.fi/vierinvastus
  12. ↑ Kitkaa vähentämällä voidaan säästää valtavasti energiaa ja rahaa Yle, Uutiset. 12.2.2009. Yle. Viitattu 12.2.2009.

 

Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Kitka&oldid=16758559”