Pretestības spēku, ko mums ir jāpārvar kādu objektu velkot pa grīdu, sauc par berzes spēku, kas rodas mijiedarbojoties divām virsmām elektomagnētiskās mijiedarbības dēļ.

Lai gan dažādu ķermeņu virsmas liekas gludas, apskatot tās palielinājumā var redzēt, ka patiesībā virsmas klāj lielāki vai mazāki negludumi. Piemēram, 1. attēlā redzama palielināta papīra virsma.

1. att. Papīra virsma lielā palielinājumā

Saskaroties dažādu ķermeņu virsmām, šie negludumi sāk ķerties viens aiz otra, līdz ar to rodas pretestība, kas kavē viena ķermeņa kustību attiecībā pret otru. Šo pretestību sauc par berzi, bet šīs mijiedarbības spēku sauc par berzes spēku un apzīmē ar Fb. Šis spēks darbojas paralēli saskarvirsmai (2. att.). Lai noteiktu berzes spēka lielumu, var izmantot sakarību Fb=μFr, kur 
Fb - berzes spēks, N
Fr - balsta reakcijas spēks, N 
μ - slīdes berzes koeficients.
Berzes spēks darbojas pretēji kustības virzienam.

Berzes spēks ar formulu

2. att. Dažādu spēku darbība uz kustīgu objektu


Virsmas negludumu dēļ (3. att.), jebkuras divas virsmas nesaskaras pilnībā, bet saskaras tikai dažos punktos. Līdz ar to spēks, kas spiež virsmas kopā, ir koncentrēts mazā laukumā, kas arī izraisa salipšanu elektomagnētiskās mijiedarbības dēļ. Ja starp saskarvirsmām atrodas kāds šķidruma slānītis, tad tiek novērota slapjā jeb viskozā berze (3. att. b), bet ja šī šķidruma slānīša nav, tad norisinās sausā berze (3. att. a). Slapjā berze ir mazākā, tādēļ parasti dažādi mehānismi tiek eļļoti, lai samazinātu berzi un nodrošinātu mazāku nodilumu, līdz ar to ilgāku kalpošanas laiku.

Sausa un slapja berze

3. att. Sausā un slapjā berze

Divas virsmas viena gar otru var gan slīdēt, gan arī ripot. Ja virsmas slīd viena gar otru, tad to sauc par slīdes berzi (4. att. a), bet ja ripo, tad par rites berzi (4. att. b). Rites berze ir daudz mazāka par slīdes berzi, tādēļ kur vien iespējams, cilvēki cenšas izmantot rites berzi. Piemēram, ja iekārtās un mehānismos ir kāda ātri rotējoša vārpsta, tad tās nostiprināšanai ir efektīvi izmantot lodīšu gultni (4. att. c),  kas starp vārpstu un stiprinājuma vietu nodrošina rites berzi. Lai vēl samazinātu berzi un palielinātu iekārtas kalpošanas ilgumu, lodīšu gultni ir jāeļļo. 

Rites un slīdes berze

4. att Slīdes un rites berze


 

Velkot pa grīdu kādu objektu, mēs sajūtam pretestības spēku. Kura mijiedarbība izraisa šo pretestības spēku? 

Gravitācijas mijiedarbība
Elektromagnētiskā mijiedarība
Stiprā mijiedarbība
Vājā mijiedarbība

Viens no lielumiem, kas nosaka berzes spēka lielumu, ir slīdes berzes koeficients μ. Tas ir skaitlis, kas ir atkarīgs no virsmas apstrādes un materiālu īpašībām, un kura vērtības parasti atrodas robežās no 0 līdz 1. Slīdes berzes koeficientu iespējams samazināt, izmantojot smērvielas. 1. attēlā redzami berzes koeficienti starp dažādām virsmām ar un bez smērvielas.  
 

Berzes koeficienti

1. att. Slīdes berzes koeficients starp dažādām virsmām

Berzes spēka lielumu ietekmē arī balsta reakcijas spēks, tādēļ jo lielāks ir ķermeņa svars, jo lielāks ir berzes spēks (2. att. a). Dažkārt cilvēki kļūdaini pieņem, ka berzes spēks ir atkarīgs no saskarvirsmu laukuma, tomēr vienkāršā eksperimentā ir iespējams parādīt, ka šis pieņēmums ir kļūdains. Trīs kastes ir iespējams vilkt tā, ka ar grīdu saskaras viena, divas vai trīs kastu virsmas (2. att. b). Šajā gadījumā balsta reakcijas spēks nemainās, jo kopējais kastu svars ir nemainīgs, bet mērījumi visos trīs gadījumos parāda, ka berzes spēks ir nemainīgs! 

Berzes spēks dažādi

2. att. Balsta reakcijas spēka un saskarvirsmas laukuma ietekme uz berzes spēku

Ja mēs vēlamies vilkt vai stumt kādu objektu, tad pirms objekta iekustnāšanas, mums ir jāpārvar miera berzes spēks. Miera berzes spēks ir atkarīgs no tā, cik stipri mēs iedarbojamies uz objektu. Ja mēs tik tikko esam sākuši iedarboties uz objektu, miera berzes spēks ir mazs, bet vienmerīgi pieaugot mūsu pieliktajam spēkam, miera berzes spēks arī sākt vienmērīgi pieaugt, un mirkli pirms objekts izkustas, tas sasniedz savu maksimālo vērtību, ko sauc par maksimālo miera berzes spēku (3. att.). Kad objekts ir sācis kustēties, tad berzes spēks vairs nemainās un to sauc par slīdes berzes spēku (3. att.)

Berzes grafiks

 

4. attēlā redzami Fizikas un matemātikas fakultātes studenti, kuriem sacensībās bija jāvelk autobuss noteiktu attālumu. Tajā brīdī, kad viņi sāka palielināt spēku, lai izkustinātu autobusu, bet tas vēl nebija izkustējies, miera berzes spēks bija vienāds ar vilcējspēku jeb Fb=Fv un palielinājās līdzi vilcējspēkam. Tajā brīdī, kad autobuss sāk kustēties, miera berze pazūd un studentiem ir jāpārvar slīdes un rites berzes, kas saistītas ar autobusa kustību. Ja autobuss kustas vienmērīgi, tad arī šajā gadījumā vilcējspēks ir vienāds ar berzes spēku, tikai šoreiz tas ir slīdes berzes spēks un studentiem paliek vieglāk, jo slīdes berzes spēks ir mazāks par miera berzes spēku.

4. att. Fizmatu studenti pārvieto autobusu

Līdzīgi kā divas virsmas izklatās gludas līdz mēs to virsmu apskatam palielinājumā (5. att. a), arī bērzes spēka izmaiņas grafika līkne izskatās gluda līdz mēs samazinām grafika mērogu (5. att. b). Grafika negludumi rodas virsmas nelīdzenumu dēļ, jo tie ir izvietoti neregulāri, tādā veidā radot neregulāras aizķeršanās. 

Divu virsmu berze

 

5. att. Divu virsmu un berzes spēka izmaiņas grafika līknes tuvplāns

No kā ir atkarīgs berzes spēka lielums?

kāda veida virsmas saskaras
cik stipri virsmas saskaras
gan kāda veida virsma, gan cik stipri saskaras
no saskarvirsmu laukuma

Daļa enerģijas, ko izmanto transporta līdzekļu pārvietošanai, berzes dēļ tiek patērēta nelietderīgi. Berze galvenokārt rodas starp tiešā kontaktā esošām virsmām, tadēļ lai samazinātu enerģijas zudumus, ir jāsamazina virsmu skaits, kas saskaras. Viens šāds piemērs ir vilcieni ar magnētisko uzkari (1. att. a), kuros vilciens, magnētisko spēku dēļ, visu laiku atrodas nedaudz virs sliedes, tādā veidā novēršot berzi starp vilcienu un sliedi (1. att. b).

Image

1. att. Viliens ar magnētisko uzkari

Arī gaisa dēļ rodas berzes spēks ko pazīstam kā gaisa pretestību. Jo lielāks ir pārvietošanās ātrums, jo spēcīgāk darbojas gaisa pretestība. Lai gaisa pretestību samazinātu, automašīnu ārējā forma tiek veidota tā, lai gaiss pēc iespējas brīvāk to aptecētu (2. att. a). Lidmašīnas papildus ārējām dizainam, cenšas lidot pēc iespējas augstāk, kur ir retināts gaiss un līdz ar to arī mazāka gaisa pretestība (2. att. b).

Auto lidmašīna

2. att. Gaisa pretestība automašīnām un lidmašīnām

Gaisa pretestības dēļ kinētiskā enerģija tiek pārvērsta siltumā, un tas ļoti uzskatāmi tas izpaužas kad kosmosa kuģi atgriežas uz Zemes, gaisa pretestība ir tik liela, ka kosmosa kuģis uzkarst līdz pat 1650 grādiem pēc Celsijam, līdz ar to kosmosa kuģis ir jāapgādā ar siltumizolāciju, lai tas var veiksmīgi atgrieztos atpakaļ uz Zemes. Diemžēl šis fakts ir bijis par pamatu arī dažiem traģiskiem notikumiem kosmosa izpētes vēsturē, kad bojātas siltumizolācijas dēļ ir avarējuši kosmosa kuģi ar visu apkalpi.

3. att. Kosmosa kuģis atgriežoties uz Zemes

Ļoti bieži berze tiek pieminēta kā negatīva parādība jeb nelietderīga berze. Piemēram, berze automašīnas ritošajās daļās palielina degvielas patēriņu, berzes dēļ mēs dažkārt nevaram atskrūvēt iestrēgušas skrūves, Tomēr mēs saskaramies arī ar lietderīgo berzi, bez kuras mūsu dzīve nebūtu iedomājama, jo, pirmkārt, mēs pat nevarētu normāli pastaigāt, ja nedarbotos berze starp mūsu apaviem un Zemi. Tāpat arī mēs neko nevarētu paņemt rokās, jo viss slīdētu laukā, un dažādiem transporta līdzekļiem nedarbotos bremzes. Arī naglas turās konstrukcijās dēļ berzes (4. att. a), tātad sabruktu dažādas konstrukcijas, un pat mūsu drēbes neizjūk, jo to šķiedras turās kopā berzes dēļ. Arī sērkociņus mēs varam uzšķilt tādēļ, ka berzes dēļ rodas nepieciešamais siltums (4. att. b).

Berze sērkociņš


Berze spēlē būtisku lomu arī riteņbraukšanā (5.att.). 

5. att. Berzes nozīmē riteņbraukšanā

Berzes spēks var izraisīt arī pirmajā brīdī neticamu rezultātu. Izrādās, ja kopā lapu pa lapai saliek divas grāmatas, tad nepietiek ar cilvēcīgu spēku, lai šīs grāmatas atrautu vienu no otras (6. att. a). Kā pārbaudīja raidījuma Mythbusters veidotāji, tad ar kopā saliktu telefonu grāmatu atraušanas uzdevumu galā var tikt tikai tanki. FIZMIX veidotajā video ir paskaidrots, ka lielais berzes spēks rodas lielo saskarvirsmu skaita un reakcijas spēka palielināšanās dēļ, kā arī tādēļ, ka pieaug berzes koeficients (6. att. b).

Image

6. att. Berze starp grāmatas lapām