Staattinen kitka on voima, joka vastustaa kahden esineen liikettä toisiaan vasten, kun esineet ovat aluksi levossa. Yksinkertainen esimerkki on ramppi, joka istuu luiskalla – on kohdistettava voima, jotta lohko liukuu ramppia alas. Toinen termi, kineettinen kitka, koskee voimaa, joka vastustaa esineitä, jotka jo liikkuvat toisiaan vastaan. Näiden voimien vahvuus voidaan laskea ja se tunnetaan kitkakerroimena. Tosielämän tilanteissa staattisen kitkan kerroin on lähes aina suurempi kuin kineettinen, mutta huolellisesti kontrolloiduissa kokeissa, joissa esineiden pinnat on puhdistettu perusteellisesti, nämä kaksi ovat yleensä samat.
Tyypillisesti kun pinnalla olevaan esineeseen kohdistuva voima kasvaa, staattinen kitkavoima kasvaa aluksi vastaamaan sitä, joten esine ei liiku. Tietyn pisteen jälkeen kohde kuitenkin alkaa liikkua, ja tässä vaiheessa kitkavoima laskee, joten kohteen liikkumiseen tarvitaan vähemmän voimaa. Esimerkiksi kitkavoima voi vastata sovellettua voimaa jopa 50 newtoniin – voima mitataan newtoneina (N) – mutta sen jälkeen se voi pudota 40 N: iin. liikkuu, mutta sen jälkeen hieman yli 50 N riittää.
Kerroimen laskeminen
Staattiset kitkakertoimet voidaan laskea mille tahansa kiinteälle materiaalille tai materiaaliparille. Kerroinarvoa voidaan siis soveltaa puun puulle, teräksen teräkselle tai teräksen puulle. Yksi tapa laskea arvo paria materiaalia varten on sijoittaa yhden materiaalin lohko toisesta luiskasta – yksittäisen materiaalin tapauksessa lohko ja ramppi olisi valmistettu samasta aineesta. Rampin kaltevuutta lisätään vähitellen, kunnes lohko liukuu alas. Kulmaa, jolla tämä tapahtuu, voidaan sitten käyttää staattisen kitkakertoimen laskemiseen.
Kerroin, kun sitä käytetään kaavoissa ja yhtälöissä, annetaan symbolilla μ – kreikkalainen kirjain mu. Näiden kahden erottamiseksi käytetään yleensä alaindeksiä: μs tarkoittaa staattista kitkaa, kun taas μk tarkoittaa kineettistä kitkaa. Esimerkiksi teräksen teräksen μs on 0.74, kun taas tämän materiaalin μk on 0.57. Nämä arvot ovat tyypillisiä tosielämän tilanteita, ja ne voivat vaihdella hieman olosuhteista riippuen. Koska pinnan epätasaisuudet, lika ja muiden aineiden jäljet voivat vaikuttaa μs -arvoon, μk -arvoa pidetään tarkempana, ja se annetaan yleensä silloin, kun tarvitaan yksinkertainen kitkakerroin.
Kitkaan vaikuttavat tekijät
Staattiseen kitkaan vaikuttavat monet tekijät, mutta yleensä tärkein on pintojen karheus. Jopa tasoitettuna eri materiaalit vaihtelevat pintojensa hienojen yksityiskohtien suhteen. Käytännössä mikään pinta ei ole täysin sileä, mutta joillakin on enemmän epätasaisuuksia kuin toisilla. Ero on joissakin tapauksissa ilmeinen: esimerkiksi silkkilevyllä on erittäin sileä rakenne, joka aiheuttaa vähemmän kitkaa, kun taas kuiva asfaltti on karkea ja tuottaa enemmän vastustuskykyä liikkeelle. Muita tekijöitä ovat sähköstaattinen vetovoima ja heikkojen kemiallisten sidosten tyypit, joita voi muodostua pintojen väliin.
Esimerkit
Monet ihmiset tuntevat staattisen kitkan, koska he kohtaavat sen lähes päivittäin; esimerkiksi se on töissä, kun joku liukuu kirjan pöydän yli. Aluksi kirjan käyttämiseen on käytettävä pientä voimaa, mutta sen liikkuessa kineettinen kitka tulee voimaan ja sen siirtäminen vaatii vähemmän vaivaa. Tarvittavan voiman määrä voi vaihdella olosuhteiden mukaan. Jos esimerkiksi kirjassa on kirjastokansi ja se on kostunut, märkä kirja vaatii enemmän voimaa liikkua, kun taas uusi pehmeäkantinen kirja saattaa liukua helposti kuivan puupöydän yli, jossa on lakattu pinta.
Taulukoita staattisista ja kineettisistä kitkakertoimista on saatavana monille tavallisille materiaaleille ja niiden yhdistelmille. Suurempi arvo osoittaa suurempaa kitkaa, joten liikkeen aiheuttamiseksi on käytettävä enemmän voimaa. Esimerkiksi alumiinin μs alumiinilla on 1.05 – 1.35, mikä on erittäin korkea, kun taas PTFE: n polytetrafluorietyleenin (PTFE) arvo on 0.04, mikä on erittäin alhainen ja tekee siitä erittäin liukkaan. Pysäytettyä autoa on vaikea työntää liikkeelle renkaiden ja maan välisen tarkoituksellisen kitkan vuoksi; tämä antaa kuljettajalle enemmän hallintaa ja tekee autosta vähemmän luistavaa.
Jarrutusmatkan laskeminen
Yksi esimerkki staattisen kitkan soveltamisesta on auton murtomatkan laskeminen tietyllä nopeudella ja tietyissä olosuhteissa. Normaalioloissa, kun renkaat kääntyvät tiellä, kitka on staattinen eikä kineettinen. Kuivan renkaan μs kuivalla tiellä on noin 1.00, kun taas märän renkaan arvo märällä tiellä on vain 0.2 – tämä tarkoittaa, että murtomatka on viisi kertaa suurempi märissä olosuhteissa. Kuivissa olosuhteissa 31 mailia tunnissa (50 mailia tunnissa) kulkevan auton jarrutusmatka on 33 metriä, kun taas märissä olosuhteissa jarrutusmatka olisi 10 metriä. Kun renkaat liukuvat sen sijaan, että ne rullaisivat, pitkin pintaa – kuten saattaa tapahtua jäisissä olosuhteissa – kineettinen kitka on tärkeä.