כל תלמיד יודע שכאשר יש מגע בין שני משטחים מוצקים, נוצר מה שנקרא כוח החיכוך. הבה נבחן במאמר זה מה זה, תוך התמקדות בנקודת היישום של כוח החיכוך.
אילו סוגים של כוח חיכוך קיימים?
לפני בחינת נקודת היישום של כוח החיכוך, יש צורך להיזכר בקצרה אילו סוגי חיכוך קיימים בטבע ובטכנולוגיה.
בוא נתחיל לשקול חיכוך סטטי. סוג זה מאפיין את מצבו של גוף מוצק במנוחה על משטח כלשהו. חיכוך המנוחה מונע כל תזוזה של הגוף ממצב המנוחה שלו. למשל, עקב פעולת הכוח הזה ממש, קשה לנו להזיז ארון שעומד על הרצפה.
חיכוך החלקה הוא סוג נוסף של חיכוך. זה מתבטא במקרה של מגע בין שני משטחים המחליקים זה על זה. חיכוך החלקה מתנגד לתנועה (כיוון כוח החיכוך מנוגד למהירות הגוף). דוגמה בולטת לפעולתו היא גולש סקי או מחליק המחליק על קרח על שלג.
לבסוף, סוג החיכוך השלישי מתגלגל. זה תמיד קיים כאשר גוף אחד מתגלגל על פני השטח של גוף אחר. לדוגמה, גלגול של גלגל או מיסבים הם דוגמאות מובילות שבהן חיכוך גלגול חשוב.
השניים הראשונים מהסוגים המתוארים נוצרים עקב חספוס על משטחי שפשוף. הסוג השלישי נוצר עקב היסטרזיס דפורמציה של הגוף המתגלגל.
נקודות יישום של כוחות חיכוך החלקה ומנוחה
נאמר לעיל שהחיכוך הסטטי מונע את הכוח החיצוני הפועל, שנוטה להזיז את האובייקט לאורך משטח המגע. המשמעות היא שכיוון כוח החיכוך מנוגד לכיוון הכוח החיצוני המקביל למשטח. נקודת היישום של כוח החיכוך הנחשב היא באזור המגע בין שני משטחים.
חשוב להבין שכוח החיכוך הסטטי אינו ערך קבוע. יש לו ערך מקסימלי, אשר מחושב באמצעות הנוסחה הבאה:
Ft=µtN.
עם זאת, ערך מקסימלי זה מופיע רק כאשר הגוף מתחיל בתנועתו. בכל מקרה אחר, כוח החיכוך הסטטי שווה בדיוק בערכו המוחלט למשטח המקביל של הכוח החיצוני.
באשר לנקודת הפעלת כוח החיכוך ההחלקה, היא אינה שונה מזו של החיכוך הסטטי. אם כבר מדברים על ההבדל בין חיכוך סטטי לחיכוך מחליק, יש לציין את המשמעות המוחלטת של כוחות אלה. לפיכך, כוח החיכוך המחליק עבור זוג חומרים נתון הוא ערך קבוע. בנוסף, הוא תמיד קטן מהכוח המרבי של חיכוך סטטי.
כפי שניתן לראות, נקודת הפעלת כוחות החיכוך אינה עולה בקנה אחד עם מרכז הכובד של הגוף. המשמעות היא שהכוחות הנחשבים יוצרים רגע הנוטה להפיכת הגוף המחליק קדימה. ניתן לראות את האחרון כאשר רוכב האופניים בולם בחוזקה עם הגלגל הקדמי.
חיכוך מתגלגל ונקודת היישום שלו
מאחר והגורם הפיזי לחיכוך הגלגול שונה מזה של סוגי החיכוך שנדונו לעיל, לנקודת ההפעלה של כוח החיכוך הגלגול יש אופי שונה במקצת.
נניח שהגלגל של המכונית נמצא על המדרכה. ברור שהגלגל הזה מעוות. שטח המגע שלו עם האספלט שווה ל-2dl, כאשר l הוא רוחב הגלגל, 2d הוא אורך המגע הרוחבי של הגלגל והאספלט. כוח החיכוך המתגלגל, במהותו הפיזית, מתבטא בצורה של מומנט תגובה של התמיכה המכוונת נגד סיבוב הגלגל. רגע זה מחושב באופן הבא:
M=Nd
אם נחלק אותו ונכפיל אותו ברדיוס הגלגל R, נקבל:
M=Nd/RR=FtR כאשר Ft=Nd/R
לפיכך, כוח החיכוך המתגלגל Ft הוא למעשה תגובת התמיכה, היוצר רגע של כוח שנוטה להאט את סיבוב הגלגל.
נקודת ההפעלה של כוח זה מופנית אנכית כלפי מעלה ביחס לפני השטח של המישור ומוסטת ימינה ממרכז המסה ב-d (בהנחה שהגלגל זז משמאל לימין).
דוגמה לפתרון בעיות
פעולהכוח חיכוך מכל סוג נוטה להאט את התנועה המכנית של גופים, תוך המרת האנרגיה הקינטית שלהם לחום. בואו נפתור את הבעיה הבאה:
bar מחליק על משטח משופע. יש צורך לחשב את תאוצת התנועה שלו אם ידוע שמקדם ההחלקה הוא 0.35, וזווית הנטייה של המשטח היא 35o.
בואו נשקול אילו כוחות פועלים על הבר. ראשית, מרכיב הכבידה מופנה כלפי מטה לאורך משטח ההחלקה. זה שווה ל:
F=mgsin(α)
שנית, כוח חיכוך קבוע פועל כלפי מעלה לאורך המישור, המכוון כנגד וקטור התאוצה של הגוף. ניתן לקבוע זאת על ידי הנוסחה:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
אז חוק ניוטון עבור פס שזז בתאוצה a יקבל את הצורה:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - µtgcos(α)
החלפת הנתונים בשוויון, נקבל ש-a=2.81 m/s2. שימו לב שהתאוצה שנמצאה אינה תלויה במסה של המוט.
