חיכוך הוא התהליך הפיזי שבלעדיו עצם התנועה בעולמנו לא הייתה יכולה להתקיים. בפיזיקה, כדי לחשב את הערך המוחלט של כוח החיכוך, יש צורך לדעת מקדם מיוחד עבור משטחי השפשוף הנחשבים. איך למצוא מקדם חיכוך? מאמר זה יענה על שאלה זו.
חיכוך בפיזיקה
לפני תשובה לשאלה כיצד למצוא את מקדם החיכוך, יש צורך לשקול מהו החיכוך ובאיזה כוח הוא מאופיין.
בפיסיקה, ישנם שלושה סוגים של תהליך זה המתרחש בין עצמים מוצקים. זהו החיכוך של מנוחה, החלקה וגלגול. חיכוך מתרחש תמיד כאשר כוח חיצוני מנסה להזיז חפץ. חיכוך החלקה, כפי שהשם מרמז, מתרחש כאשר משטח אחד מחליק מעל אחר. לבסוף, חיכוך מתגלגל מתרחש כאשר חפץ עגול (גלגל, כדור) מתגלגל על משטח כלשהו.
המשותף לכל הסוגים הוא העובדה שהם מונעים אף אחדהתנועה ונקודת הפעלת הכוחות שלהם היא באזור המגע בין המשטחים של שני עצמים. כמו כן, כל הסוגים הללו ממירים אנרגיה מכנית לחום.
כוחות ההחלקה והחיכוך הסטטי נגרמים מחספוס מיקרוסקופי על משטחים המשפשפים. בנוסף, סוגים אלו נובעים מדיפול-דיפול וסוגים אחרים של אינטראקציות בין אטומים ומולקולות היוצרות גופי שפשוף.
הגורם לחיכוך מתגלגל קשור להיסטרזה של עיוות אלסטי המופיע בנקודת המגע בין החפץ המתגלגל למשטח.
כוח חיכוך ומקדם חיכוך
כל שלושת סוגי כוחות החיכוך המוצקים מתוארים על ידי ביטויים בעלי אותה צורה. הנה היא:
Ft=µtN.
כאן N הוא הכוח הפועל בניצב לפני השטח על הגוף. זה נקרא תגובת התמיכה. הערך µt- נקרא המקדם של סוג החיכוך המתאים.
מקדמים לחיכוך החלקה ומנוחה הם כמויות חסרות מימד. ניתן להבין זאת על ידי הסתכלות על השוויון של כוח החיכוך ומקדם החיכוך. הצד השמאלי של המשוואה מבוטא בניוטון, הצד הימני מתבטא גם בניוטון, שכן N הוא כוח.
באשר לחיכוך גלגול, המקדם עבורו יהיה גם ערך חסר מימד, אולם הוא מוגדר כיחס בין המאפיין הליניארי של עיוות אלסטי לרדיוס האובייקט המתגלגל.
יש לומר שהערכים האופייניים של מקדמי ההזזה והמנוחה הם עשיריות יחידה. בשביל חיכוךמתגלגל, מקדם זה מתאים למאות ואלפיות של יחידה.
איך למצוא את מקדם החיכוך?
Coefficient µtתלוי במספר גורמים שקשה לקחת בחשבון מבחינה מתמטית. אנו מפרטים כמה מהם:
- חומר של משטחי שפשוף;
- איכות פני השטח;
- נוכחות של לכלוך, מים וכן הלאה;
- טמפרטורות פני השטח.
לכן, אין נוסחה עבור µt, ויש למדוד אותה בניסוי. כדי להבין כיצד למצוא את מקדם החיכוך, יש לבטא אותו מהנוסחה של Ft. יש לנו:
µt =Ft/N.
מסתבר שכדי לדעת µt יש צורך למצוא כוח חיכוך ותגובת תמיכה.
הניסוי המתאים מתבצע באופן הבא:
- קח גוף ומטוס, למשל, עשויים מעץ.
- הצמד את הדינמומטר לגוף והזז אותו באופן שווה על פני השטח.
במקביל, הדינמומטר מראה כוח כלשהו, השווה ל-Ft. תגובת הקרקע שווה למשקל הגוף על משטח אופקי.
השיטה המתוארת מאפשרת להבין מהו מקדם החיכוך הסטטי וההחלקה. באופן דומה, תוכל לקבוע באופן ניסיוני µtרולינג.
שיטה ניסיונית נוספת לקביעת µt ניתנת בצורה של בעיה בפסקה הבאה.
בעיה לחישוב µt
קורת העץ נמצאת על משטח הזכוכית.על ידי הטיה חלקה של פני השטח, מצאנו שהחלקה של הקורה מתחילה בזווית נטייה של 15o. מהו מקדם החיכוך הסטטי עבור זוג עץ-זכוכית?
כאשר האלומה הייתה במישור משופע ב-15o, אז לכוח החיכוך המנוחה עבורה היה ערך מרבי. זה שווה ל:
Ft=mgsin(α).
כוח N נקבע על ידי הנוסחה:
N=mgcos(α).
החלת הנוסחה עבור µt, נקבל:
µt=Ft/N=mgsin(α)/(mgcos(α))=tg(α).
תחליף את הזווית α, נגיע לתשובה: µt=0, 27.
