Kitka

liikevastus

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

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

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 osa kappaleeseen varastoituneesta energiasta muuttuu muiksi energian muodoiksi, kuten lämmöksi.

Mitä kitka onMuokkaa

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, ts. pitää kahden kappaleen pinnat toistensa suhteen levossa. Lepokitkavoima on, kuten tuki- ja jännitysvoimatkin, olosuhteisiin mukautuva voima, 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 yleisiä sääntöjä[5] (huomaa poikkeukset):

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

Nämä säännöt toimivat monissa tapauksissa likimääräisesti, mutta kaikkiin näihin sääntöihin löytyy myös poikkeuksia.

KitkakerroinMuokkaa

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 välillä 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 mekaanista 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 kitkan luonnetta selitäkään, riittää se kuitenkin moneen konetekniikan tarpeeseen, erityisesti erilaisten rakenneratkaisujen vertailuun.

Lepo- ja liikekitkakertoimia (ohjeellisia)[7]
Materiaalipari Lepo-
kitka-
kerroin
Liike-
kitka-
kerroin
Teräs–jää 0,027 0,014
Teräs–teräs (voideltu) 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 kitkavoimatMuokkaa

VierintävastusMuokkaa

Pääartikkeli: Vierintävastus

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

Kitkan hallitseminenMuokkaa

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

Kitkaa voidaan myös optimoida, esimerkiksi autojen renkaiden pidon parantamiseksi, pyrkimällä välttämään lepokitkaa tuntuvasti pienempi liukukitkatilanne renkaan luistaessa.[10] Pyörivällä kappaleella on kosketuspinnassa tietty lepokitka. Jos jarrutuksen tai sivuluisun vuoksi renkaiden pyörimisliike loppuu, renkaiden ja tienpinnan välinen liikekitka on auton liikkeen suuntainen riippumatta pyörien asennosta. Tällöin 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, niiden lämpötila ja kuormitus.[11] Auton pyörän (rengas ja vanne) ja tien pinnan välinen kitka on kuitenkin erittäin monimutkainen ilmiö, joka renkaiden kehityksen kannalta edustaa edelleen pitkälti kokeellista tiedettä. Ilmiössä ei suoraan päde klassinen kitkateoria, jossa maksimikitkakerroin on yksi. Tällainen kitkakertoimen suurinta arvoa koskeva rajoitus, jossa kitkakerroin ei voisi olla suurempi kuin 1, esiintyisi vain äärettömän (ideaalisen) jäykkien kappaleiden kosketuksessa.[10]

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

Käytännön sovelluksiaMuokkaa

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 myöskin alkuvauhtia, jos kitkakerroin on pienempi kuin edellä mainittu prosenttikerroin. Koska kumin ja märän jään välinen lepokitkakerroin on edellä olevan taulukon mukaisesti 0,1, ovat yli 10 % kallistukset talvella haasteellisia jollei käytetä nastarenkaita. Kuivalla jäällä voi edellä esitetyn taulukon mukaisesti jopa 20 % kaltevuudella ajaa ylöspäin ilman alkuvauhtia ja nastojakin. Etenkin liikkeelle lähdettäessä voi kuitenkin sutiminen 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 myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  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 (Arkistoitu – Internet Archive)
  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. "Analysis of highway noise" (1973). Water, Air, and Soil Pollution 2 (3): 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 (Arkistoitu – Internet Archive)
  12. Kitkaa vähentämällä voidaan säästää valtavasti energiaa ja rahaa Yle, Uutiset. 12.2.2009. Yle. Viitattu 12.2.2009.

Aiheesta muuallaMuokkaa