الاحتكاك ظاهرة فيزيائية يصارع معها الشخص من أجل تقليلها في أي أجزاء دوارة ومتحركة من الآليات ، والتي بدونها تكون حركة أي من هذه الآليات مستحيلة. في هذه المقالة سوف ننظر ، من وجهة نظر الفيزياء ، ما هي قوة الاحتكاك المتدحرج.
ما هي أنواع قوى الاحتكاك الموجودة في الطبيعة؟
أولاً ، ضع في اعتبارك المكان الذي يحتله الاحتكاك المتداول بين قوى الاحتكاك الأخرى. تنشأ هذه القوى نتيجة اتصال جسدين مختلفين. يمكن أن تكون أجسامًا صلبة أو سائلة أو غازية. على سبيل المثال ، رحلة طائرة في طبقة التروبوسفير مصحوبة بوجود احتكاك بين جسمها وجزيئات الهواء.
بالنظر إلى الأجسام الصلبة حصريًا ، فإننا نفرد قوى الاحتكاك للراحة والانزلاق والدحرجة. لاحظ كل منا: من أجل تحريك صندوق على الأرض ، من الضروري تطبيق بعض القوة على سطح الأرض. ستكون قيمة القوة التي ستخرج الصناديق من السكون مساوية في القيمة المطلقة لقوة الاحتكاك الباقية. يعمل الأخير بين قاع الصندوق وسطح الأرض.
كيفبمجرد أن يبدأ الصندوق حركته ، يجب استخدام قوة ثابتة للحفاظ على هذه الحركة موحدة. ترتبط هذه الحقيقة بحقيقة أنه بين ملامسة الأرضية والصندوق ، تعمل قوة الاحتكاك المنزلقة على الأخير. كقاعدة عامة ، فهو أقل بعدة عشرات من الاحتكاك الساكن.
إذا وضعت أسطوانات مستديرة من مادة صلبة أسفل الصندوق ، فسيصبح نقلها أسهل بكثير. ستعمل قوة الاحتكاك المتدحرج على الأسطوانات التي تدور في عملية الحركة أسفل الصندوق. عادة ما يكون أصغر بكثير من القوتين السابقتين. هذا هو السبب في أن اختراع العجلة من قبل البشرية كان قفزة هائلة نحو التقدم ، لأن الناس كانوا قادرين على تحريك أحمال أكبر بكثير مع القليل من القوة المطبقة.
الطبيعة الفيزيائية للاحتكاك المتداول
لماذا يحدث الاحتكاك المتداول؟ هذا السؤال ليس سهلا. للإجابة عليه ، يجب على المرء أن يفكر بالتفصيل في ما يحدث للعجلة والسطح أثناء عملية التدحرج. بادئ ذي بدء ، فهي ليست ناعمة تمامًا - لا سطح العجلة ولا السطح الذي تدور عليه. ومع ذلك ، ليس هذا هو السبب الرئيسي للاحتكاك. السبب الرئيسي هو تشوه أحد الجسمين أو كليهما.
أي أجسام ، بغض النظر عن المواد الصلبة التي تتكون منها ، مشوهة. كلما زاد وزن الجسم ، زاد الضغط الذي يمارسه على السطح ، مما يعني أنه يشوه نفسه عند نقطة التلامس ويشوه السطح. يكون هذا التشوه في بعض الحالات صغيرًا جدًا بحيث لا يتجاوز حد المرونة.
بأثناء دحرجة العجلة ، تستعيد المناطق المشوهة بعد انتهاء التلامس مع السطح شكلها الأصلي. ومع ذلك ، تتكرر هذه التشوهات بشكل دوري مع ثورة جديدة في العجلة. أي تشوه دوري ، حتى لو كان يكمن في الحد المرن ، يكون مصحوبًا بتباطؤ. بمعنى آخر ، على المستوى المجهري ، يختلف شكل الجسم قبل وبعد التشوه. يؤدي تباطؤ دورات التشوه أثناء دحرجة العجلة إلى "تشتت" الطاقة ، والذي يتجلى في الممارسة العملية في شكل ظهور قوة احتكاك متدحرجة.
دحرجة الجسم المثالي
تحت الجسم المثالي في هذه الحالة نعني أنه غير قابل للتشوه. في حالة وجود عجلة مثالية ، تكون منطقة التلامس الخاصة بها مع السطح صفرًا (تلامس السطح بمحاذاة الخط).
دعونا نميز القوى التي تعمل على عجلة غير قابلة للتشوه. أولاً ، هاتان قوتان عموديتان: وزن الجسم P وقوة رد فعل الدعم N. تمر كلتا القوتين عبر مركز الكتلة (محور العجلة) ، وبالتالي لا تشترك في إنشاء عزم الدوران. بالنسبة لهم ، يمكنك كتابة:
P=N
ثانيًا ، هاتان قوتان أفقيتان: قوة خارجية F تدفع العجلة للأمام (تمر عبر مركز الكتلة) ، وقوة احتكاك متدحرجة fr. هذا الأخير يخلق عزم الدوران M. بالنسبة لهم ، يمكنك كتابة المعادلات التالية:
M=fr r ؛
F=fr
هنا r هو نصف قطر العجلة. تحتوي هذه المساواة على نتيجة مهمة للغاية. إذا كانت قوة الاحتكاك frصغيرة بلا حدود ، فإنها إذنسيستمر في إنشاء عزم دوران من شأنه أن يتسبب في تحرك العجلة. نظرًا لأن القوة الخارجية F تساوي fr، فإن أي قيمة صغيرة بلا حدود لـ F ستؤدي إلى دوران العجلة. هذا يعني أنه إذا كان الجسم المتداول مثاليًا ولا يتعرض للتشوه أثناء الحركة ، فلا داعي للحديث عن أي قوة احتكاك متدحرجة.
جميع الأجسام الموجودة حقيقية ، أي أنها تعاني من التشوه
دحرجة الجسم الحقيقي
الآن ضع في اعتبارك الوضع الموصوف أعلاه فقط في حالة الأجسام الحقيقية (المشوهة). لن تكون مساحة التلامس بين العجلة والسطح صفراً بعد الآن ، بل سيكون لها قيمة محدودة.
دعونا نحلل القوى. لنبدأ بعمل القوى الرأسية ، أي وزن ورد فعل الدعم. لا يزالان متساويين ، أي:
N=P
ومع ذلك ، فإن القوة N تعمل الآن عموديًا لأعلى وليس من خلال محور العجلة ، ولكن يتم إزاحتها قليلاً عنها بمسافة d. إذا تخيلنا مساحة التلامس بين العجلة والسطح كمساحة مستطيل ، فسيكون طول هذا المستطيل هو سمك العجلة ، وسيكون العرض مساويًا لـ 2د.
الآن دعنا ننتقل إلى النظر في القوى الأفقية. لا تزال القوة الخارجية F لا تخلق عزمًا وتساوي قوة الاحتكاك frفي القيمة المطلقة ، أي:
F=fr.
لحظة القوى المؤدية إلى الدوران ستخلق الاحتكاك frورد فعل الدعم N. علاوة على ذلك ، سيتم توجيه هذه اللحظات في اتجاهات مختلفة. التعبير المقابل هواكتب:
M=Nd - fr r
في حالة الحركة المنتظمة ، ستكون اللحظة M مساوية للصفر ، لذلك نحصل على:
Nd - fr r=0=>
fr=د / صN
المساواة الأخيرة ، مع مراعاة الصيغ المكتوبة أعلاه ، يمكن إعادة كتابتها على النحو التالي:
F=د / صP
في الواقع ، حصلنا على الصيغة الرئيسية لفهم قوة الاحتكاك المتداول. بعد ذلك في المقال سنقوم بتحليله.
معامل مقاومة التدحرج
تم تقديم هذا المعامل بالفعل أعلاه. كما تم تقديم تفسير هندسي. نحن نتحدث عن قيمة د. من الواضح أنه كلما زادت هذه القيمة ، زادت اللحظة التي تخلق قوة رد الفعل للدعم ، مما يمنع حركة العجلة.
معامل مقاومة التدحرج d ، على عكس معاملات الاحتكاك الساكن والانزلاق ، هو قيمة بعدية. يقاس بوحدات الطول. في الجداول ، يُعطى عادةً بالمليمترات. على سبيل المثال ، بالنسبة لعجلات القطار التي تدور على قضبان فولاذية ، d=0.5 مم. تعتمد قيمة d على صلابة المادتين ، والحمل على العجلة ، ودرجة الحرارة وبعض العوامل الأخرى.
معامل الاحتكاك المتداول
لا تخلط بينه وبين المعامل السابق د. يُشار إلى معامل الاحتكاك المتداول بالرمز Crويتم حسابه باستخدام الصيغة التالية:
Cr=د / ص
هذه المساواة تعني أن Crبلا أبعاد. هي التي ترد في عدد من الجداول التي تحتوي على معلومات عن نوع الاحتكاك المدروس. هذا المعامل مناسب للاستخدام في الحسابات العملية ،لانه لا يتضمن معرفة نصف قطر العجلة.
قيمة Crفي معظم الحالات أقل من معاملات الاحتكاك والباقي. على سبيل المثال ، بالنسبة لإطارات السيارات التي تتحرك على الأسفلت ، تكون قيمة Crفي حدود بضع مئات من المئات (0.01 - 0.06). ومع ذلك ، فإنه يزيد بشكل ملحوظ عند تشغيل الإطارات المسطحة على العشب والرمل (≈0.4).
تحليل الصيغة الناتجة للقوة fr
لنكتب مرة أخرى الصيغة أعلاه لقوة الاحتكاك المتداول:
F=d / rP=fr
من المساواة ، يترتب على ذلك أنه كلما زاد قطر العجلة ، يجب تطبيق القوة F الأقل حتى تبدأ في الحركة. الآن نكتب هذه المساواة من خلال المعامل Cr، لدينا:
fr=Cr P
كما ترى ، فإن قوة الاحتكاك تتناسب طرديًا مع وزن الجسم. بالإضافة إلى ذلك ، مع زيادة ملحوظة في الوزن P ، يتغير المعامل Crنفسه (يزداد بسبب الزيادة في d). في معظم الحالات العملية ، تقع Crفي حدود بضع مئات من المئات. في المقابل ، تقع قيمة معامل الاحتكاك الانزلاقي في غضون بضعة أعشار. نظرًا لأن الصيغ الخاصة بقوى الاحتكاك المتدحرج والانزلاق هي نفسها ، فقد تبين أن التدحرج مفيد من وجهة نظر الطاقة (القوة frهي ترتيب من حيث الحجم أقل من قوة الانزلاق في أكثر المواقف العملية).
حالة المتداول
واجه الكثير منا مشكلة انزلاق عجلات السيارة عند القيادة على الجليد أو الطين. لماذا هذايحدث؟ يكمن مفتاح الإجابة عن هذا السؤال في نسبة القيم المطلقة لقوى الاحتكاك المتدحرج والراحة. دعنا نكتب الصيغة المتغيرة مرة أخرى:
F ≧ Cr P
عندما تكون القوة F أكبر من أو تساوي الاحتكاك المتداول ، ستبدأ العجلة في التدحرج. ومع ذلك ، إذا تجاوزت هذه القوة قيمة الاحتكاك الساكن في وقت سابق ، فإن العجلة ستنزلق في وقت أبكر من دورانها.
وهكذا ، يتم تحديد تأثير الانزلاق من خلال نسبة معاملات الاحتكاك الساكن والاحتكاك المتدحرج.
طرق لمواجهة انزلاق عجلة السيارة
الاحتكاك المتداول لعجلة السيارة على سطح زلق (على سبيل المثال ، على الجليد) يتميز بالمعامل Cr=0.01-0.06. ومع ذلك ، فإن قيم نفس الترتيب نموذجي لمعامل الاحتكاك الساكن.
لتجنب خطر انزلاق العجلات ، يتم استخدام إطارات "شتوية" خاصة يتم فيها ربط المسامير المعدنية. هذا الأخير ، الذي يصطدم بالسطح الجليدي ، يزيد من معامل الاحتكاك الساكن.
طريقة أخرى لزيادة الاحتكاك الساكن وهي تعديل السطح الذي تتحرك عليه العجلة. على سبيل المثال برشها بالرمل أو الملح.
