חיכוך היא תופעה שאנו נתקלים בה בחיי היומיום כל הזמן. אי אפשר לקבוע אם החיכוך מזיק או מועיל. לעלות אפילו צעד על קרח חלקלק נראה כמשימה קשה; הליכה על משטח אספלט מחוספס היא תענוג. חלקי רכב ללא שימון נשחקים הרבה יותר מהר.
לימוד החיכוך, הכרת תכונותיו הבסיסיות מאפשר לאדם להשתמש בו.
כוח החיכוך בפיזיקה
הכוח הנובע מתנועה או ניסיון תנועה של גוף אחד על פני השטח של גוף אחר, המכוון נגד כיוון התנועה, המופעל על גופים נעים, נקרא כוח החיכוך. מודול כוח החיכוך, שהנוסחה שלו תלויה בפרמטרים רבים, משתנה בהתאם לסוג ההתנגדות.
ניתן להבחין בין סוגי החיכוך הבאים:
• מנוחה;
• תלוש;
• מתגלגל.
כל ניסיון להזיז חפץ כבד (ארון, אבן) ממקומו מוביל למתח של כוחו של אדם. יחד עם זאת, לא תמיד ניתן להניע את האובייקט. חיכוך המנוחה מפריע לזה.
מצב מנוחה
נוסחת חישוב עבור כוח חיכוך סטטיאינו מאפשר לנו לקבוע זאת במדויק מספיק. מכוח החוק השלישי של ניוטון, גודל כוח ההתנגדות הסטטי תלוי בכוח המופעל.
ככל שהכוח גדל, כך גם כוח החיכוך עולה.
0 < Fצרות מנוחה < Fmax
חיכוך מנוחה מונע נפילה של מסמרים הננעצים בעץ; כפתורים תפורים בחוט מוחזקים היטב במקומם. מעניין שהתנגדות המנוחה היא המאפשרת לאדם ללכת. יתרה מכך, היא מכוונת לכיוון של תנועה אנושית, הסותרת את מצב העניינים הכללי.
תופעת הזזה
כשהכוח החיצוני שמניע את הגוף עולה לערך של כוח החיכוך הסטטי הגדול ביותר, הוא מתחיל לנוע. כוח החיכוך ההחלקה נחשב בתהליך של החלקה של גוף אחד על פני השטח של גוף אחר. ערכו תלוי במאפיינים של המשטחים המקיימים אינטראקציה ובכוח הפעולה האנכית על פני השטח.
נוסחת חישוב עבור כוח החיכוך ההחלקה: F=ΜP, כאשר Μ הוא מקדם המידתיות (חיכוך החלקה), P הוא כוח הלחץ האנכי (רגיל).
אחד הכוחות המניעים הוא כוח החיכוך המחליק, שהנוסחה שלו כתובה באמצעות כוח התגובה של התומך. עקב התגשמות החוק השלישי של ניוטון, כוחות הלחץ הרגיל ותגובת התמיכה זהים בגודלם ומנוגדים בכיוון: Р=N.
לפני שתמצא את כוח החיכוך, שהנוסחה שלו לובשת צורה אחרת (F=M N), קבע את כוח התגובה.
מקדם התנגדות ההחלקה מוצג בניסוי עבור שני משטחי שפשוף, תלוי באיכות העיבוד והחומר שלהם.
שולחן. הערך של מקדם ההתנגדות עבור משטחים שונים
| pp | משטחים בעלי אינטראקציה | ערך של מקדם חיכוך החלקה |
| 1 | Steel+ice | 0, 027 |
| 2 | Oak+oak | 0, 54 |
| 3 | עור+ברזל יצוק | 0, 28 |
| 4 | ברונזה+ברזל | 0, 19 |
| 5 | ברונזה+ברזל יצוק | 0, 16 |
| 6 | Steel+steel | 0, 15 |
הכוח הגדול ביותר של החיכוך הסטטי, שהנוסחה שלו נכתבה למעלה, יכול להיקבע באותו אופן כמו כוח החיכוך ההחלקה.
זה הופך להיות חשוב בעת פתרון בעיות כדי לקבוע את עוצמת ההתנגדות לנהיגה. לדוגמה, ספר, המוזז ביד הנלחצת מלמעלה, מחליק תחת פעולת כוח ההתנגדות למנוחה הנוצר בין היד לספר. כמות ההתנגדות תלויה בערך כוח הלחץ האנכי על הספר.
תופעה מתגלגלת
המעבר של אבותינו מגררים למרכבות נחשב למהפכני. המצאת הגלגל היא ההמצאה הגדולה ביותר של האנושות.החיכוך הגלגול המתרחש כאשר גלגל נע על פני משטח הוא נחות באופן משמעותי מהתנגדות ההחלקה.
הופעת כוחות חיכוך מתגלגלים קשורה לכוחות של לחץ גלגל רגיל על פני השטח, יש אופי שמבדיל אותו מהחלקה. עקב עיוות קל של הגלגל, נוצרים כוחות לחץ שונים במרכז השטח הנוצר ולאורך קצוותיו. הבדל זה בכוחות קובע את התרחשות התנגדות גלגול.
נוסחת החישוב של כוח החיכוך המתגלגל נלקחת בדרך כלל בדומה לתהליך ההחלקה. ההבדל נראה רק בערכי מקדם הגרר.
טבע ההתנגדות
כאשר החספוס של משטחי השפשוף משתנה, גם הערך של כוח החיכוך משתנה. בהגדלה גבוהה, שני משטחים במגע נראים כמו בליטות עם פסגות חדות. כאשר הם מונחים על גבי, חלקי הגוף הבולטים הם אלה שנמצאים במגע זה עם זה. שטח המגע הכולל אינו משמעותי. בעת תנועה או ניסיון להזיז גופים, ה"פסגות" יוצרות התנגדות. גודל כוח החיכוך אינו תלוי בשטח של משטחי המגע.
נראה ששני משטחים חלקים לחלוטין לא צריכים לחוות שום התנגדות. בפועל, כוח החיכוך במקרה זה הוא מקסימלי. אי התאמה זו מוסברת על ידי אופי מקור הכוחות. אלו הם כוחות אלקטרומגנטיים הפועלים בין האטומים של גופים המקיימים אינטראקציה.
תהליכים מכניים שאינם מלווים בחיכוך בטבע הם בלתי אפשריים, כי היכולת "לכבות"אין אינטראקציה חשמלית בין גופים טעונים. עצמאותם של כוחות ההתנגדות מהעמדה ההדדית של הגופים מאפשרת לנו לקרוא להם לא פוטנציאליים.
מעניין שכוח החיכוך, שהנוסחה שלו משתנה בהתאם למהירות הגופים המקיימים אינטראקציה, הוא פרופורציונלי לריבוע של המהירות המתאימה. כוח זה כולל את כוח ההתנגדות הצמיגה בנוזל.
תנועה בנוזל ובגז
תנועת גוף מוצק בנוזל או בגז, נוזל ליד משטח מוצק מלווה בהתנגדות צמיגה. התרחשותו קשורה לאינטראקציה של שכבות נוזל הנאגרות על ידי גוף מוצק בתהליך התנועה. מהירויות שכבות שונות מהוות מקור לחיכוך צמיג. המוזרות של תופעה זו היא היעדר חיכוך סטטי נוזלי. ללא קשר לגודל ההשפעה החיצונית, הגוף מתחיל לנוע בעודו בנוזל.
בהתאם למהירות התנועה, כוח ההתנגדות נקבע לפי מהירות התנועה, צורת הגוף הנע וצמיגות הנוזל. תנועה במים ובשמן של אותו גוף מלווה בהתנגדות בעלת גדלות שונה.
עבור מהירויות נמוכות: F=kv, כאשר k הוא גורם המידתיות בהתאם לממדים הליניאריים של הגוף ולמאפיינים של המדיום, v היא מהירות הגוף.
טמפרטורת הנוזל משפיעה גם על החיכוך בו. במזג אוויר כפור מחממים את המכונית כך שהשמן מתחמם (הצמיגות שלו יורדת) ועוזר להפחית את ההרס של חלקי המנוע במגע.
הזז מהירות
עלייה משמעותית במהירות הגוף עלולה לגרום להופעת זרימות סוערות, בעוד שההתנגדות גדלה באופן דרמטי. הערכים הם: ריבוע מהירות התנועה, צפיפות המדיום ושטח הפנים של הגוף. נוסחת כוח החיכוך לובשת צורה אחרת:
F=kv2, כאשר k הוא גורם המידתיות בהתאם לצורת הגוף ולתכונות המדיום, v היא מהירות הגוף.
אם הגוף מיועל, ניתן להפחית את המערבולת. צורת הגוף של דולפינים ולווייתנים היא דוגמה מושלמת לחוקי הטבע המשפיעים על מהירות החיות.
גישה אנרגטית
לעשות את העבודה של הזזת הגוף מעוכבת על ידי התנגדות הסביבה. כשמשתמשים בחוק שימור האנרגיה, אומרים שהשינוי באנרגיה המכנית שווה לעבודת כוחות החיכוך.
עבודת הכוח מחושבת לפי הנוסחה: A=Fscosα, כאשר F הוא הכוח שמתחתיו נע הגוף למרחק s, α היא הזווית בין כיווני הכוח והתזוזה.
כמובן שכוח ההתנגדות מנוגד לתנועת הגוף, משם cosα=-1. עבודת כוח החיכוך, שהנוסחה שלו היא Atr=- Fs, הערך שלילי. במקרה זה, אנרגיה מכנית מומרת לאנרגיה פנימית (דפורמציה, חימום).
