قوة الاحتكاك هي كمية مادية تمنع أي حركة للجسم. يحدث ، كقاعدة عامة ، عندما تتحرك الأجسام في مادة صلبة وسائلة وغازية. تلعب أنواع مختلفة من قوى الاحتكاك دورًا مهمًا في حياة الإنسان ، لأنها تمنع الزيادة المفرطة في سرعة الأجسام.
تصنيف قوى الاحتكاك
في الحالة العامة ، يتم وصف جميع أنواع قوى الاحتكاك بثلاثة أنواع: قوة الاحتكاك للانزلاق ، والتدحرج والراحة. الأول ثابت ، والآخران ديناميكيان. يمنع الاحتكاك أثناء السكون الجسم من البدء في الحركة ، وبالتالي ، عند الانزلاق ، يحدث الاحتكاك عندما يحتك الجسم بسطح جسم آخر أثناء حركته. يحدث الاحتكاك المتدحرج عندما يتحرك جسم مستدير. لنأخذ مثالا. ومن الأمثلة الصارخة على النوع (قوة الاحتكاك المتداول) حركة عجلات السيارة على الأسفلت.
طبيعة قوى الاحتكاك هي وجود عيوب مجهرية بين أسطح الاحتكاك لجسمين. لهذا السبب ، تعمل القوة الناتجةجسم يتحرك أو يبدأ في التحرك ، يتكون من مجموع قوة رد الفعل الطبيعي للدعم N ، والذي يتم توجيهه بشكل عمودي على سطح الأجسام الملامسة ، وقوة الاحتكاك F. ويتم توجيه الأخير بالتوازي مع سطح التلامس ومعاكس لحركة الجسم
الاحتكاك بين مادتين صلبتين
عند النظر في مسألة الأنواع المختلفة من قوى الاحتكاك ، لوحظت الأنماط التالية لجسمين صلبين:
- قوة الاحتكاك موجهة بالتوازي مع سطح الدعم.
- يعتمد معامل الاحتكاك على طبيعة الأسطح الملامسة وكذلك على حالتها.
- أقصى قوة احتكاك تتناسب بشكل مباشر مع القوة العادية أو رد الفعل الداعم الذي يعمل بين أسطح التلامس.
- بالنسبة لنفس الأجسام ، تكون قوة الاحتكاك أكبر قبل أن يبدأ الجسم في الحركة ثم تنخفض عندما يبدأ الجسم في الحركة.
- معامل الاحتكاك لا يعتمد على منطقة التلامس ، وعمليا لا يعتمد على سرعة الانزلاق.
قوانين
تلخيصًا للمادة التجريبية على قوانين الحركة ، وضعنا القوانين الأساسية التالية فيما يتعلق بالاحتكاك:
- مقاومة الانزلاق بين جسمين تتناسب مع القوة الطبيعية المؤثرة بينهما.
- مقاومة الحركة بين الجثث لا تعتمد على منطقة التلامس بينهما
لتوضيح القانون الثاني يمكننا أن نعطي المثال التالي: إذا أخذت كتلة وحركتها عن طريق الانزلاق على السطح ، فعندئذ القوة اللازمة لمثل هذه الحركةستكون هي نفسها عندما تكون الكتلة على السطح مع جانبها الطويل ، وعندما تقف مع نهايتها.
تم اكتشاف القوانين المتعلقة بأنواع مختلفة من قوى الاحتكاك في الفيزياء في نهاية القرن الخامس عشر بواسطة ليونارد دافنشي. ثم تم نسيانهم لفترة طويلة ، وفي عام 1699 فقط أعاد المهندس الفرنسي أمونتون اكتشافهم. منذ ذلك الحين ، تحمل قوانين الاحتكاك اسمه.
لماذا قوة الاحتكاك أكبر من قوة الانزلاق عند السكون؟
عند التفكير في عدة أنواع من قوى الاحتكاك (الراحة والانزلاق) ، يجب ملاحظة أن قوة الاحتكاك الساكن تكون دائمًا أقل من أو تساوي ناتج معامل الاحتكاك الساكن وقوة رد الفعل للدعم. يتم تحديد معامل الاحتكاك تجريبياً لهذه المواد المحاكة ويتم إدخالها في الجداول المناسبة.
القوة الديناميكية تحسب بنفس طريقة حساب القوة الساكنة. فقط في هذه الحالة ، يتم استخدام معامل الاحتكاك خصيصًا للانزلاق. يُرمز إلى معامل الاحتكاك بالحرف اليوناني Μ (mu). وبالتالي ، فإن الصيغة العامة لقوى الاحتكاك هي: Ftr=ΜN ، حيث N هي قوة رد فعل الدعم.
لم يتم تحديد طبيعة الاختلاف بين هذه الأنواع من قوى الاحتكاك بدقة. ومع ذلك ، يعتقد معظم العلماء أن قوة الاحتكاك الساكن أكبر من قوة الانزلاق ، لأنه عندما تكون الأجسام في حالة راحة بالنسبة لبعضها البعض لبعض الوقت ، يمكن أن تتشكل الروابط الأيونية أو الاندفاعات الدقيقة لنقاط فردية من الأسطح بين أسطحها. هذه العوامل تسبب زيادة في الشحنات الساكنةالمؤشر
مثال لعدة أنواع من قوة الاحتكاك ومظاهرها هو المكبس الموجود في أسطوانة محرك السيارة والذي يكون "ملحومًا" بالأسطوانة إذا كان المحرك لا يعمل لفترة طويلة.
جسم انزلاق أفقي
دعنا نحصل على معادلة الحركة لجسم يبدأ ، تحت تأثير قوة خارجية Fفي، في التحرك على طول السطح عن طريق الانزلاق. في هذه الحالة ، تؤثر القوى التالية على الجسم:
- Fv- قوة خارجية ؛
- Ftr- قوة الاحتكاك المقابلة في الاتجاه للقوة Fv؛
- N هي قوة رد فعل الدعم ، والتي تساوي القيمة المطلقة لوزن الجسم P ويتم توجيهها إلى السطح ، أي بزاوية قائمة عليه.
مع الأخذ في الاعتبار اتجاهات جميع القوى ، نكتب قانون نيوتن الثاني لحالة الحركة هذه: Fv- Ftr=mأ ، حيث م - كتلة الجسم ، أ- تسارع الحركة. مع العلم أن Ftr=ΜN، N=P=mg ، حيث g هي تسارع السقوط الحر ، نحصل على: Fv- Μمز=مأ. ومن هنا ، عند التعبير عن التسارع الذي يتحرك به الجسم المنزلق ، نحصل على: أ=Fفي/ م - Μز.
حركة جسم صلب في سائل
عند التفكير في أنواع قوى الاحتكاك الموجودة ، يجب ذكر ظاهرة مهمة في الفيزياء ، وهي وصف كيفية تحرك الجسم الصلب في السائل. في هذه الحالة ، نتحدث عن الاحتكاك الديناميكي الهوائي ، والذي يتم تحديده اعتمادًا على سرعة الجسم في السائل. هناك نوعان من الحركة:
- متىجسم صلب يتحرك بسرعة منخفضة ، ويتحدث المرء عن حركة رقائقي. تتناسب قوة الاحتكاك في الحركة الصفحية مع السرعة. مثال على ذلك هو قانون ستوكس للأجسام الكروية
- عندما تحدث حركة الجسم في السائل بسرعة أعلى من قيمة عتبة معينة ، تبدأ الدوامات من تدفق السوائل في الظهور حول الجسم. تخلق هذه الدوامات قوة إضافية تعيق الحركة ، ونتيجة لذلك فإن قوة الاحتكاك تتناسب مع مربع السرعة.
طبيعة قوة الاحتكاك المتداول
عند الحديث عن أنواع قوى الاحتكاك ، من المعتاد تسمية قوة الاحتكاك المتداول من النوع الثالث. يتجلى ذلك عندما يتدحرج الجسم على سطح معين ويحدث تشوه لهذا الجسم والسطح نفسه. وهذا يعني أنه في حالة الجسم والسطح غير القابل للتشوه تمامًا ، فلا فائدة من الحديث عن قوة الاحتكاك المتدحرج. دعونا نلقي نظرة فاحصة.
مفهوم معامل الاحتكاك المتداول مشابه لمفهوم الانزلاق. نظرًا لعدم وجود انزلاق بين أسطح الأجسام أثناء التدحرج ، فإن معامل الاحتكاك المتدحرج أقل بكثير من معامل الانزلاق.
العامل الرئيسي الذي يؤثر على المعامل هو تباطؤ الطاقة الميكانيكية لنوع قوة الاحتكاك المتداول. على وجه الخصوص ، فإن العجلة ، اعتمادًا على المادة التي صنعت منها ، وكذلك على الحمولة التي تحملها ، تتشوه بشكل مرن أثناء الحركة. تؤدي الدورات المتكررة من التشوه المرن إلى تحويل جزء من الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. بالإضافة إلى ذلك ، بسببالضرر ، ملامسة العجلة والسطح به بالفعل بعض منطقة التلامس المحدودة.
صيغة قوة الاحتكاك المتداول
إذا طبقنا التعبير عن لحظة القوة التي تدور العجلة ، فيمكننا أن نحصل على أن قوة الاحتكاك المتداول هي Ftr.k.=Μk N / R ، هنا N هو رد فعل الدعم ، R هو نصف قطر العجلة ، Μк -معامل الاحتكاك المتداول. وبالتالي ، فإن قوة الاحتكاك المتدحرج تتناسب عكسياً مع نصف القطر ، وهو ما يفسر ميزة العجلات الكبيرة على العجلات الصغيرة.
التناسب العكسي لهذه القوة مع نصف قطر العجلة يشير إلى أنه في حالة وجود عجلتين من أنصاف أقطار مختلفة لهما نفس الكتلة ومصنوعان من نفس المادة ، فإن العجلة ذات نصف القطر الأكبر تكون أسهل تتزحزح.
نسبة التدحرج
وفقًا لصيغة هذا النوع من قوة الاحتكاك ، نحصل على أن معامل الاحتكاك المتداول Μkله أبعاد الطول. يعتمد بشكل أساسي على طبيعة الهيئات المتصل بها. تسمى القيمة ، التي تحددها نسبة معامل الاحتكاك المتداول إلى نصف القطر ، معامل التدحرج ، أي Ck=Μk/ R هي كمية بلا أبعاد.
معامل التدحرج Ckأقل بكثير من معامل الاحتكاك المنزلق Μtr. لذلك ، عند الإجابة عن السؤال عن نوع قوة الاحتكاك الأصغر ، يمكننا أن نسميها بأمان قوة الاحتكاك المتدحرج. بفضل هذه الحقيقة ، يعتبر اختراع العجلة خطوة مهمة في التقدم التكنولوجي.الإنسانية.
نسبة التدحرج خاصة بالنظام وتعتمد على العوامل التالية:
- صلابة العجلة والسطح (كلما قل تشوه الأجسام أثناء الحركة ، انخفض معامل التدحرج) ؛
- نصف قطر العجلة ؛
- وزن مؤثر على العجلة ؛
- مساحة سطح التلامس وشكلها ؛
- لزوجة في منطقة التلامس بين العجلة والسطح ؛
- درجة حرارة الجسم
