Kitka

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Friction alt.svg
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 kappaleeseen varastoitunutta energiaa muuttuu muiksi energian muodoiksi, kuten lämmöksi.

Mitä kitka on?[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kitka on ilmiönä vaikeasti kuvattavissa, koska siihen vaikuttavat hyvin monet syyt, kuten koskettavien materiaalien kemiallinen koostumus, pintojen rakenne, adheesio, van der Waalsin voima, väliaineet, staattinen sähkö ja ympäristön olosuhteet (esimerkiksi paine, lämpötila ja ilmankosteus). Kitkan tutkimus on oma tieteenalansa, jota kutsutaan tribologiaksi.

Kappaleille on olemassa sekä lepo- 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. [1] Tunnetaan tapauksia, joissa liikekitka on suurempi kuin lepokitka.[2]

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[1]. Tämän seurauksena kappaleen lähdettyä liikkeelle sen liikkeessä pitämiseen tarvitaan vähemmän voimaa kuin liikkeelle saamiseen käytettiin.

Vierimiskitka eli vierinvastus on kappaleen vierimistä vastustava voima.

Kitkaa koskevia sääntöjä [3]:

  • 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

\mu = \frac{F}{N}.

Laskukaavalla voidaan laskea lepokitkakerroin ja liikekitkakerroin. Kitkakertoimet eri aineiden välille on määritetty kokeellisesti ja ne ovat yleensä pienempiä kuin 1. Tunnetaan materiaaleja, joiden kitkakerroin on suurempi 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.[4]

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) [5]
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

Kitkan hallitseminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 adheesiosta johtuvat voimat kasvavat. 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.[6] 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.[6] 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.[7] 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. [6]

Maailman mittakaavassa arvioiden kitkan voittamiseen kuluvan noin kolmasosa tuotetusta energiasta. Uusilla teknologioilla, muun muassa timanttipinnoitteella, energiankulutus voitaisiin saada vähenemään 2–10 prosenttia.[8]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Insinöörityön tiivistelmä (30.4.2010) Viitattu 10.7.2010
  2. 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)
  3. Helsingin Sanomien Tiede ja luonto sivu 17.2.2009
  4. http://www.tekniikkatalous.fi/metalli/article30045.ece
  5. Haavisto, Anja & Karkela, Lea & Varho, Kiuru: ”Taulukoita”, MAOL-taulukot, s. 82. Helsinki: Otava, 1991. ISBN 951-1-16053-2.
  6. a b c Tapio Ketonen: Renkaan pyöriessä tien päällä. Mikä kitka? Tuulilasi. 25.3.2011. Viitattu 26.11.2011. Suomi
  7. http://www.nokianrenkaat.fi/vierinvastus
  8. Kitkaa vähentämällä voidaan säästää valtavasti energiaa ja rahaa Yle, Uutiset. 12.2.2009. Yle. Viitattu 12.2.2009.