תופעת החיכוך בחיי אדם ממלאת תפקיד חיובי ושלילי כאחד. מצד אחד, ללא נוכחותו, תנועה תהיה בלתי אפשרית, מצד שני, עקב חיכוך, מתרחשים הפסדים עצומים של אנרגיה וחומרי עבודה. במאמר נשקול מנקודת מבט של פיזיקה מהו חיכוך, וכן כיצד למצוא את מקדם החיכוך.
תופעת חיכוך
חיכוך הוא תופעת מגע המתרחשת באזור המגע בין גופים שונים, ואשר מנוגדת לכל תנועה הדדית שלהם.
במכניקת התנועה של מוצקים, מבחינים בשלושה סוגי חיכוך:
- פועל במנוחה;
- פועל תוך החלקת משטחים אחד על השני;
- נגרם על ידי גופים מתגלגלים.
חיכוך במנוחה מתרחש כאשר אנו מפעילים כוח משיק חיצוני על משטח על גוף כדי להזיז אותו. דוגמה בולטת לחיכוך החלקה היא החלקה של מגלשיים על שלג. לבסוף, חיכוך במהלך הגלגולמתבטא כאשר גלגל הרכב מתגלגל על הכביש.
נוסחה לקביעת כוח החיכוך
בפיזיקה, סוגי החיכוך המפורטים מתוארים על ידי אותה נוסחה בעת חישוב הכוחות הפועלים. נוסחה זו נראית כך:
Ft=µN.
כוח החיכוך Ft שווה למכפלת מקדם החיכוך µ ותגובת התמיכה N. כאשר בוחנים את סוג החיכוך המתאים, רק ערך המקדם µ, שהיא כמות חסרת מימד, משתנה.
במקרה של כוחות חיכוך סטטיים והחלקים, הערך של µ הוא כעשיריות מיחידה. µ תלוי בחומרי המגע, בחספוס פני השטח שלהם, ואינו תלוי באזור המגע או במהירות ההחלקה.
עבור חיכוך גלגול, מקדם µ (הוא מסומן בדרך כלל CR) תלוי במאפייני האלסטיות של גוף הגלגול, בקשיות שלו, ברדיוס הגלגול ועוד כמה גורמים. עבור רוב החומרים, גורם מתגלגל זה הוא במאות ואלפיות של אחדות.
מכיוון שיש הרבה גורמים המשפיעים על הערך של µ, אין נוסחה מתמטית מוגדרת לחישוב שלו. בתשובה לשאלה כיצד למצוא את מקדם החיכוך, יש לומר שהוא נמדד בניסוי.
קביעת המקדם µ
בפסקה זו, נשקול שתי דרכים לקביעה מעשית של הערך של µ תוך שימוש בדוגמה של חיכוך החלקה ומנוחה.
הדרך הראשונה לענות על השאלה איך למצוא את מקדם החיכוך,מורכב מהנחת מוט על מישור אופקי, אליו מחובר דינמומטר. הבר והמטוס עשויים מצמד החומרים שנחקר, למשל, זכוכית ועץ. על ידי הזזת המוט באופן שווה, החזקת הדינמומטר, תוכל לקבוע את כוח ההזזה Ft. לדעת את המסה m של המוט, מקדם µ מחושב באופן הבא:
µ=Ft / (מגרם).
השיטה השנייה נוחה לקביעת µ עבור חיכוך סטטי. כדי לעשות זאת, אתה צריך למקם סרגל על מישור אופקי. לאחר מכן, קצה אחד של המטוס צריך להיות מורם לאט, להטות אותו בזווית מסוימת לאופק. בזווית מסוימת θ, המוט יתחיל להחליק מהמשטח. על ידי מדידת זווית זו, ניתן לקבוע את מקדם החיכוך µ מתוך המשוואה:
µ=tg(θ).
מדידת µ עבור חיכוך מתגלגל כרוכה בשימוש בהגדרה מתוחכמת יותר הנקראת מטוטלת משופעת. החישוב של µ במקרה זה מתבצע על ידי לימוד משוואות דינמיקת התנועה.
