Tarcie a bryła walec/kula

Zaczynając od równi - jest dokładnie tak jak piszesz, tarcie jest tutaj zawsze zwrócone w górę równi. Spowodowane jest to faktem, że w w przypadku staczania prędkość obrotowa (kątowa) staczającego się ciała wzrasta. Aby ta prędkość wzrastała, to wypadkowy moment siły musi dawać przyspieszenie kątowe powodujące właśnie zwiększanie się tej prędkości obrotowej (czyli moment sił tarcia musi próbować powodować obrót w tę samą stronę, w którą już obraca staczające się ciało), a tak będzie właśnie wtedy gdy tarcie będzie działało w górę równi. Z kolei podczas wtaczania na równię, bryła zwalnia, więc jej prędkość obrotowa maleje, czyli wypadkowy moment sił musi dawać takie przyspieszenie kątowe, aby własnie zmniejszać prędkość kątową (czyli moment siły tarcia musi próbować obracać bryłę w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym bryła się już obraca), a tak będzie wtedy gdy tarcie będzie zwrócone w górę równi.

To rozważanie powyżej jak zakładam może stanowić również odpowiedź na Twoje ostatnie pytanie - kiedy tarcie "wspomaga", a kiedy przeciwdziała ruchowi obrotowemu. Chyba, że w tej sytuacji chodziło Ci o coś innego?

W przypadku toczenia się po płaskiej powierzchni sytuacja może w ogólności wyglądać bardzo różnie i zależeć od tego czy jakieś inne siły działają na nasze obracające się ciało, a co za tym idzie od tego czy to toczenie odbywa się ruchem jednostajnym, czy może jednak zmiennym. I tak np. w przypadku zadania z całkiem niedawnej matury próbnej z grudnia 2024 (zdjęcie poniżej), zwrot siły tarcia był akurat taki jak zwrot siły F, którą działaliśmy na górną część walca (czyli akurat zgodnie z ruchem postępowym całej bryły, a przeciwnie do ruchu obrotowego). Ale już np. w przypadku gdy toczenie jest jednostajne, to w ogóle nie ma siły tarcia (bo ona zgodnie z II zasadą dynamiki ruchu obrotowego musiałaby dawać jakies przyspieszenie kątowe, które zmieniałoby prędkość kątową). W ogólności można też wymyślić jakiś przykład, gdzie zwrot siły tarcia będzie zgodny z ruchem obrotowym, a przeciwny do ruchu postepowego. Więc siła tarcia w ruchu obrotowym charakteryzuj się tym, że niestety w ogólności w wielu przypadkach nie da się od razu jednoznacznie stwierdzić, w którą stronę to tarcie ma być zwrócone (ten przykład z matury próbnej jest świetnym zadaniem opisującym ten problem, warto tam zerknąć sobie do rozwiązania).

W przypadku poślizgu tarcie kinetyczne działa właśnie w stronę przeciwną do ruchu postępowego (tak jak zwykłe tarcie kinetyczne podczas np. ześlizgiwania się ciała z równi - klocek zjeżdża np. w dół równi, to tarcie działa na niego w górę równi). A to co potem robi tarcie statyczne, to znów zależśy już od sytuacji - tak jak opisałem powyżej. Więc podsumowując jest to niestety taki problem, w którym często ciężko od razu jednoznacznie stwierdzić jak tarcie ma być zwrócone - w tym celu trzeba posługiwać się rozpisywaniem zasad dynamiki (ruchu postępowego i ruchu obrotowego) - i tu znów warto odnieść się do wspomnianego zadania z matury próbnej z 2024 roku.