כוח החיכוך הוא גודל פיזי שמונע כל תנועה של הגוף. זה מתרחש, ככלל, כאשר גופים נעים בחומר מוצק, נוזלי וגזי. סוגים שונים של כוחות חיכוך ממלאים תפקיד חשוב בחיי האדם, שכן הם מונעים עלייה מוגזמת במהירות של גופים.
סיווג כוחות החיכוך
במקרה הכללי, כל סוגי כוחות החיכוך מתוארים לפי שלושה סוגים: כוח החיכוך של החלקה, גלגול ומנוחה. הראשון הוא סטטי, השניים האחרים דינמיים. חיכוך במנוחה מונע מהגוף להתחיל לנוע, בתורו, בעת החלקה, חיכוך קיים כאשר הגוף מתחכך על פני השטח של גוף אחר במהלך תנועתו. חיכוך מתגלגל מתרחש כאשר חפץ עגול זז. בואו ניקח דוגמה. דוגמה בולטת לסוג (כוח חיכוך מתגלגל) היא תנועת גלגלי מכוניות על אספלט.
טבעם של כוחות החיכוך הוא קיומם של פגמים מיקרוסקופיים בין משטחי השפשוף של שני גופים. מסיבה זו, הכוח שנוצר פועל עלעצם שזז או מתחיל לנוע, מורכב מסכום הכוח של התגובה הרגילה של התומך N, המכוון בניצב לפני השטח של הגופים המגע, ומכוח החיכוך F. האחרון מכוון במקביל ל- משטח מגע והוא מנוגד לתנועת הגוף.
חיכוך בין שני מוצקים
כאשר בוחנים את הנושא של סוגים שונים של כוחות חיכוך, התבניות הבאות נצפו עבור שני גופים מוצקים:
- כוח החיכוך מופנה במקביל למשטח התמיכה.
- מקדם החיכוך תלוי באופי משטחי המגע, כמו גם במצבם.
- כוח החיכוך המרבי עומד ביחס ישר לכוח הרגיל או לתגובת התמיכה הפועלת בין משטחי המגע.
- עבור אותם גופים, כוח החיכוך גדול יותר לפני שהגוף מתחיל לנוע ואז פוחת כשהגוף מתחיל לנוע.
- מקדם החיכוך אינו תלוי באזור המגע, והוא למעשה אינו תלוי במהירות ההחלקה.
חוקים
לסיכום החומר הניסיוני על חוקי התנועה, קבענו את חוקי היסוד הבאים לגבי חיכוך:
- ההתנגדות לגלישה בין שני גופים פרופורציונלית לכוח הרגיל הפועל ביניהם.
- ההתנגדות לתנועה בין גופי שפשוף אינה תלויה באזור המגע ביניהם.
כדי להדגים את החוק השני, נוכל לתת את הדוגמה הבאה: אם אתה לוקח בלוק ומזיז אותו על ידי החלקה על פני השטח, אז הכוח הדרוש לתנועה כזויהיה זהה כשהגוש מונח על פני השטח עם הצד הארוך שלו, וכאשר הוא עומד עם הקצה שלו.
החוקים הנוגעים לסוגים שונים של כוחות חיכוך בפיזיקה התגלו בסוף המאה ה-15 על ידי לאונרד דה וינצ'י. אחר כך הם נשכחו זמן רב, ורק בשנת 1699 הם התגלו מחדש על ידי המהנדס הצרפתי אמונטון. מאז, חוקי החיכוך נושאים את שמו.
מדוע כוח החיכוך גדול מזה של החלקה במנוחה?
כאשר בוחנים כמה סוגים של כוחות חיכוך (מנוחה והחלקה), יש לשים לב שכוח החיכוך הסטטי תמיד קטן או שווה למכפלת מקדם החיכוך הסטטי וכוח התגובה של התומך. מקדם החיכוך נקבע בניסוי עבור חומרי השפשוף הללו ומוזן בטבלאות המתאימות.
כוח דינמי מחושב באותו אופן כמו כוח סטטי. רק במקרה זה, מקדם החיכוך משמש במיוחד להחלקה. מקדם החיכוך מסומן בדרך כלל באות היוונית Μ (mu). לפיכך, הנוסחה הכללית עבור שני כוחות החיכוך היא: Ftr=ΜN, כאשר N הוא כוח תגובת התמיכה.
אופי ההבדל בין סוגי כוחות החיכוך הללו לא נקבע במדויק. עם זאת, רוב המדענים מאמינים שכוח החיכוך הסטטי גדול יותר מזה של החלקה, מכיוון שכאשר הגופים נמצאים במנוחה זה ביחס לזה במשך זמן מה, יכולים להיווצר קשרים יוניים או מיקרו-פיוז'ים של נקודות בודדות של המשטחים בין המשטחים שלהם. גורמים אלה גורמים לעלייה בסטטימחוון.
דוגמה לכמה סוגים של כוח חיכוך וביטוים הוא הבוכנה בצילינדר של מנוע רכב, ש"מולחם" לצילינדר אם המנוע אינו פועל במשך זמן רב.
גוף החלקה אופקי
בואו נקבל את משוואת התנועה של גוף שתחת פעולת כוח חיצוני Fin, מתחיל לנוע לאורך פני השטח על ידי החלקה. במקרה זה, הכוחות הבאים פועלים על הגוף:
- Fv – כוח חיצוני;
- Ftr – כוח חיכוך המנוגד לכיוון הכוח Fv;
- N הוא כוח התגובה של התומך, השווה בערכו המוחלט למשקל הגוף P ומכוון אל פני השטח, כלומר בזווית ישרה אליו.
בהתחשב בכיוונים של כל הכוחות, אנו כותבים את החוק השני של ניוטון למקרה זה של תנועה: Fv - Ftr=ma, כאשר m - מסת גוף, a - האצת תנועה. בידיעה ש-Ftr=ΜN, N=P=mg, כאשר g היא תאוצת הנפילה החופשית, נקבל: Fv – Μmg=ma. מכאן, המבטאים את התאוצה שבה הגוף המחליק נע, נקבל: a=F ב-/ m – Μg.
תנועה של גוף קשיח בנוזל
כאשר בוחנים אילו סוגי כוחות חיכוך קיימים, יש להזכיר תופעה חשובה בפיזיקה, שהיא התיאור של איך גוף מוצק נע בנוזל. במקרה זה, אנו מדברים על חיכוך אווירודינמי, אשר נקבע בהתאם למהירות הגוף בנוזל. ישנם שני סוגי תנועה:
- מתיגוף נוקשה נע במהירות נמוכה, מדברים על תנועה למינרית. כוח החיכוך בתנועה למינרית הוא פרופורציונלי למהירות. דוגמה לכך היא חוק סטוקס לגופים כדוריים.
- כאשר תנועת גוף בנוזל מתרחשת במהירות גבוהה יותר מערך סף מסוים, אז מתחילות להופיע מערבולות מזרימות נוזלים מסביב לגוף. מערבולות אלו יוצרות כוח נוסף המעכב את התנועה, וכתוצאה מכך, כוח החיכוך פרופורציונלי לריבוע המהירות.
טבעו של כוח החיכוך המתגלגל
כשמדברים על סוגי כוחות החיכוך, נהוג לקרוא לכוח החיכוך המתגלגל הסוג השלישי. זה בא לידי ביטוי כאשר גוף מתגלגל על משטח מסוים ומתרחש דפורמציה של הגוף הזה והמשטח עצמו. כלומר, במקרה של גוף ומשטח בלתי מעוותים לחלוטין, אין טעם לדבר על כוח החיכוך המתגלגל. בואו נסתכל מקרוב.
המושג של מקדם חיכוך מתגלגל דומה לזה של החלקה. מכיוון שאין החלקה בין משטחי הגופים במהלך הגלגול, מקדם החיכוך הגלגול קטן בהרבה מאשר בהחלקה.
הגורם העיקרי המשפיע על המקדם הוא היסטרזה של אנרגיה מכנית לסוג כוח החיכוך המתגלגל. בפרט, הגלגל, בהתאם לחומר ממנו הוא עשוי, כמו גם לעומס שהוא נושא, מעוות בצורה אלסטית במהלך התנועה. מחזורים חוזרים ונשנים של דפורמציה אלסטית מובילים להעברת חלק מהאנרגיה המכנית לאנרגיה תרמית. בנוסף, בשלנזק, למגע של הגלגל והמשטח יש כבר איזשהו שטח מגע סופי.
נוסחת כוח חיכוך מתגלגל
אם נחיל את הביטוי עבור רגע הכוח שמסובב את הגלגל, אז נוכל לקבל שכוח החיכוך המתגלגל הוא Ftr.k.=Μ k N / R, כאן N הוא תגובת התמיכה, R הוא רדיוס הגלגל, Μк – מקדם חיכוך מתגלגל. לפיכך, כוח החיכוך המתגלגל עומד ביחס הפוך לרדיוס, מה שמסביר את היתרון של גלגלים גדולים על פני קטנים.
המידתיות ההפוכה של כוח זה לרדיוס הגלגל מעידה שבמקרה של שני גלגלים בעלי רדיוסים שונים בעלי אותה מסה ועשויים מאותו חומר, קל יותר לגלגל עם הרדיוס הגדול יותר להזיז.
יחס גלגול
בהתאם לנוסחה לסוג זה של כוח חיכוך, נקבל שלמקדם החיכוך הגלגול Μk יש את ממד האורך. זה תלוי בעיקר באופי הגופים המתקשרים. הערך, שנקבע על פי היחס בין מקדם החיכוך הגלגול לרדיוס, נקרא מקדם הגלגול, כלומר Ck=Μk / R היא כמות חסרת מימד.
מקדם הגלגול Ck קטן משמעותית ממקדם החיכוך ההחלקה Μtr. לכן, כאשר עונים על השאלה איזה סוג של כוח חיכוך הוא הקטן ביותר, אנו יכולים לקרוא בבטחה את כוח החיכוך המתגלגל. הודות לעובדה זו, המצאת הגלגל נחשבת לשלב חשוב בהתקדמות הטכנולוגית.אנושיות.
יחס הגלגול הוא ספציפי למערכת ותלוי בגורמים הבאים:
- קשיות הגלגל והמשטח (ככל שהעיוות של הגופים המתרחש במהלך תנועה קטן יותר, כך מקדם הגלגול נמוך יותר);
- רדיוס גלגל;
- משקל שפועל על ההגה;
- שטח מגע וצורתו;
- צמיגות באזור המגע בין הגלגל למשטח;
- חום גוף
