כל מגע בין שני גופים גורם לכוח חיכוך. במקרה זה, אין זה משנה באיזה מצב חומר מצטבר נמצאים הגופים, האם הם נעים זה ביחס לזה או נמצאים במנוחה. במאמר זה נשקול בקצרה אילו סוגי חיכוך קיימים בטבע ובטכנולוגיה.
חיכוך מנוחה
עבור רבים, זה עשוי להיות רעיון מוזר שחיכוך של גופים קיים גם כאשר הם במנוחה זה ביחס לזה. בנוסף, כוח החיכוך הזה הוא הכוח הגדול ביותר מבין שאר הסוגים. זה בא לידי ביטוי כאשר אנו מנסים להזיז חפץ כלשהו. זה יכול להיות גוש עץ, אבן או אפילו גלגל.
הסיבה לקיומו של כוח החיכוך הסטטי היא נוכחותם של אי-סדירות על משטחי המגע, המקיימים אינטראקציה מכנית זה עם זה לפי עקרון שיא-שפל.
כוח החיכוך הסטטי מחושב באמצעות הנוסחה הבאה:
Ft1=µtN
כאן N היא התגובה של התמיכה שבה המשטח פועל על הגוף לאורך הרגיל. הפרמטר µt הוא מקדם החיכוך. זה תלוי בהחומר של משטחי המגע, איכות העיבוד של משטחים אלה, הטמפרטורה שלהם ועוד כמה גורמים.
הנוסחה הכתובה מראה שכוח החיכוך הסטטי אינו תלוי באזור המגע. הביטוי של Ft1 מאפשר לך לחשב את מה שנקרא הכוח המקסימלי. במספר מקרים מעשיים, Ft1 אינו המקסימום. הוא תמיד שווה בגודלו לכוח החיצוני המבקש להוציא את הגוף ממנוחה.
חיכוך מנוחה ממלא תפקיד חשוב בחיים. הודות לכך, אנו יכולים לנוע על הקרקע, לדחוף ממנה בכפות הרגליים, מבלי להחליק. גופות כלשהן שנמצאות על מטוסים הנוטים לאופק אינן מחליקות מהן בגלל הכוח Ft1.
חיכוך במהלך החלקה
סוג חיכוך חשוב נוסף לאדם מתבטא כאשר גוף אחד מחליק על פני השטח של אחר. החיכוך הזה נובע מאותה סיבה פיזית כמו החיכוך הסטטי. מה שכן, החוזק שלו מחושב באמצעות נוסחה דומה.
Ft2=µkN
ההבדל היחיד עם הנוסחה הקודמת הוא השימוש במקדמים שונים לחיכוך החלקה µk. המקדמים µk הם תמיד פחות מפרמטרים דומים לחיכוך סטטי עבור אותו זוג משטחי שפשוף. בפועל עובדה זו מתבטאת כך: עלייה הדרגתית בכוח החיצוני מביאה לעליה בערך של Ft1 עד שהוא מגיע לערכו המקסימלי. אחרי זה היאיורד בחדות בכמה עשרות אחוזים לערך Ft2 ונשמר קבוע במהלך תנועת הגוף.
Coefficient µk תלוי באותם גורמים כמו פרמטר µt עבור חיכוך סטטי. כוח החיכוך ההחלקה Ft2 למעשה אינו תלוי במהירות התנועה של גופים. רק במהירויות גבוהות ניתן להבחין בירידה.
ניתן לראות את החשיבות של חיכוך החלקה לחיי אדם בדוגמאות כמו סקי או החלקה. במקרים אלה, מקדם µk מופחת על ידי שינוי משטחי השפשוף. להיפך, פיזור כבישים במלח וחול מטרתו להעלות את ערכי המקדמים µk ו-µt.
חיכוך מתגלגל
זהו אחד מסוגי החיכוך החשובים לתפקוד הטכנולוגיה המודרנית. הוא קיים במהלך סיבוב מיסבים ותנועת הגלגלים של כלי רכב. בניגוד לחיכוך החלקה ומנוחה, חיכוך גלגול נובע מעיוות הגלגל בזמן תנועה. דפורמציה זו, המתרחשת באזור האלסטי, מפזרת אנרגיה כתוצאה מהיסטרזיס, המתבטאת ככוח חיכוך במהלך התנועה.
חישוב כוח החיכוך המרבי המתגלגל מתבצע לפי הנוסחה:
Ft3=d/RN
כלומר, הכוח Ft3, כפי שהכוחות Ft1 ו-Ft2, הוא ביחס ישר לתגובת התמיכה. עם זאת, זה תלוי גם בקשיות החומרים במגע וברדיוס הגלגל R. הערךd נקרא מקדם התנגדות הגלגול. שלא כמו המקדמים µk ו-µt, ל-d יש את ממד האורך.
ככלל, היחס חסר הממדים d/R מתברר כ-1-2 סדרי גודל פחות מהערך µk. המשמעות היא שתנועת הגוף בעזרת גלגול הרבה יותר נוחה מבחינה אנרגטית מאשר בעזרת החלקה. זו הסיבה שחיכוך גלגול משמש בכל משטחי השפשוף של מנגנונים ומכונות.
זווית חיכוך
כל שלושת סוגי ביטויי החיכוך שתוארו לעיל מאופיינים בכוח חיכוך מסוים Ft, שהוא פרופורציונלי ישר ל-N. שני הכוחות מכוונים בזוית ישרה ביחס זה לזה. הזווית שיוצר הסכום הווקטורי שלהם עם הנורמלי למשטח נקראת זווית החיכוך. כדי להבין את חשיבותה, הבה נשתמש בהגדרה זו ונכתוב אותה בצורה מתמטית, נקבל:
Ft=kN;
tg(θ)=Ft/N=k
לכן, הטנגנס של זווית החיכוך θ שווה למקדם החיכוך k עבור סוג נתון של כוח. המשמעות היא שככל שהזווית θ גדולה יותר, כוח החיכוך עצמו גדול יותר.
חיכוך בנוזלים ובגזים
כאשר גוף מוצק נע בתווך גזי או נוזלי, הוא מתנגש ללא הרף בחלקיקים של המדיום הזה. התנגשויות אלו, המלוות באובדן מהירות של הגוף הקשיח, הן הגורם לחיכוך בחומרים נוזליים.
סוג חיכוך זה תלוי מאוד במהירות. אז, במהירויות נמוכות יחסית, כוח החיכוךמתברר כפרופורציונלי ישר למהירות התנועה v, בעוד שבמהירויות גבוהות מדברים על מידתיות v2.
ישנן דוגמאות רבות לחיכוך זה, מתנועת סירות וספינות ועד לטיסה של מטוסים.
