هر یک از ما با تجلی نیروی اصطکاک آشنا هستیم. در واقع، هر حرکتی در زندگی روزمره، اعم از پیاده روی یک فرد یا حرکت دادن وسیله نقلیه، بدون مشارکت این نیرو غیرممکن است. در فیزیک مرسوم است که سه نوع نیروی اصطکاک بررسی شود. در این مقاله، یکی از آنها را در نظر خواهیم گرفت، خواهیم فهمید که اصطکاک استاتیک چیست.
نوار روی سطح افقی
قبل از پاسخ به سؤالات، نیروی اصطکاک ایستا چیست و با چه چیزی برابر است، اجازه دهید یک مورد ساده با میله ای که روی یک سطح افقی قرار دارد را در نظر بگیریم.
بیایید تحلیل کنیم که چه نیروهایی روی میله عمل می کنند. اولین مورد وزن خود کالا است. بیایید آن را با حرف P نشان دهیم. به صورت عمودی به سمت پایین هدایت می شود. ثانیاً این واکنش تکیه گاه N است. به صورت عمودی به سمت بالا هدایت می شود. قانون دوم نیوتن برای مورد مورد بررسی به شکل زیر نوشته می شود:
ma=P - N.
علامت منفی در اینجا جهت مخالف وزن و بردارهای واکنش حمایتی را منعکس می کند. از آنجایی که بلوک در حالت سکون است، مقدار a صفر است.دومی به این معنی است که:
P - N=0=>
P=N.
واکنش تکیه گاه وزن بدن را متعادل می کند و در مقدار مطلق با آن برابر است.
نیروی خارجی وارد بر میله ای روی سطح افقی
حالا بیایید یک نیروی بازیگر دیگر به وضعیتی که در بالا توضیح داده شد اضافه کنیم. اجازه دهید فرض کنیم که فردی شروع به هل دادن یک بلوک در امتداد یک سطح افقی می کند. بیایید این نیرو را با حرف F نشان دهیم. می توان وضعیت شگفت انگیزی را مشاهده کرد: اگر نیروی F کوچک باشد، با وجود عملکرد آن، میله همچنان روی سطح قرار می گیرد. وزن بدنه و واکنش تکیه گاه به صورت عمود بر سطح جهت گیری می شود، بنابراین برآمدگی های افقی آنها برابر با صفر است. به عبارت دیگر، نیروهای P و N به هیچ وجه نمی توانند با F مقابله کنند، در این صورت، چرا میله در حالت سکون باقی می ماند و حرکت نمی کند؟
بدیهی است که باید نیرویی وجود داشته باشد که علیه نیروی F باشد. این نیرو همان اصطکاک ساکن است. در امتداد یک سطح افقی در برابر F هدایت می شود. در ناحیه تماس بین لبه پایینی میله و سطح عمل می کند. بیایید آن را با نماد Ft نشان دهیم. قانون نیوتن برای طرح افقی به صورت زیر نوشته می شود:
F=Ft.
بنابراین، مدول نیروی اصطکاک ساکن همیشه برابر با مقدار مطلق نیروهای خارجی است که در امتداد سطح افقی عمل می کنند.
شروع حرکت میله
برای یادداشت فرمول اصطکاک استاتیک، آزمایش آغاز شده در پاراگراف های قبلی مقاله را ادامه می دهیم. قدر مطلق نیروی خارجی F را افزایش خواهیم داد.نوار همچنان برای مدتی در حالت استراحت باقی می ماند، اما لحظه ای می رسد که شروع به حرکت می کند. در این مرحله، نیروی اصطکاک استاتیک به حداکثر مقدار خود خواهد رسید.
برای یافتن این مقدار حداکثر، یک نوار دیگر دقیقاً مشابه نوار اول بردارید و آن را در بالا قرار دهید. سطح تماس میله با سطح تغییر نکرده است، اما وزن آن دو برابر شده است. به طور تجربی مشخص شد که نیروی F ناشی از جدا شدن میله از سطح نیز دو برابر شده است. این واقعیت نوشتن فرمول زیر را برای اصطکاک استاتیک ممکن کرد:
Ft=μsP.
یعنی، حداکثر مقدار نیروی اصطکاک متناسب با وزن جسم P است، جایی که پارامتر µs به عنوان یک ضریب تناسب عمل می کند. مقدار μs ضریب اصطکاک استاتیک نامیده می شود.
از آنجایی که وزن بدن در آزمایش برابر با نیروی واکنش پشتیبانی N است، فرمول Ft را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد:
Ft=μsN.
برخلاف عبارت قبلی، این عبارت را همیشه می توان استفاده کرد، حتی زمانی که بدن در یک صفحه شیبدار قرار دارد. مدول نیروی اصطکاک ساکن به طور مستقیم با نیروی واکنش حمایتی که سطح روی بدنه عمل می کند، متناسب است.
علل فیزیکی نیرو Ft
مسئله اینکه چرا اصطکاک ایستا رخ می دهد پیچیده است و نیاز به در نظر گرفتن تماس بین اجسام در سطح میکروسکوپی و اتمی دارد.
به طور کلی، دو دلیل فیزیکی برای زور وجود داردFt:
- برهم کنش مکانیکی بین قله ها و فرورفتگی ها.
- برهم کنش فیزیکی-شیمیایی بین اتم ها و مولکول های اجسام.
هر سطحی هر چقدر هم که صاف باشد، ناهمگونی و ناهمگنی دارد. تقریباً، این ناهمگنی ها را می توان به صورت قله ها و فرورفتگی های میکروسکوپی نشان داد. هنگامی که قله یک جسم به حفره جسم دیگر می افتد، جفت مکانیکی بین این اجسام اتفاق می افتد. تعداد زیادی کوپلینگ میکروسکوپی یکی از دلایل پیدایش اصطکاک استاتیکی است.
دلیل دوم برهمکنش فیزیکی و شیمیایی بین مولکول ها یا اتم های سازنده بدن است. مشخص است که وقتی دو اتم خنثی به یکدیگر نزدیک می شوند، برخی از برهمکنش های الکتروشیمیایی می توانند بین آنها رخ دهند، به عنوان مثال، برهمکنش دوقطبی-دوقطبی یا واندروالس. در لحظه شروع حرکت، میله مجبور است بر این فعل و انفعالات غلبه کند تا از سطح جدا شود.
ویژگی های استحکام Ft
قبلاً در بالا ذکر شده است که حداکثر نیروی اصطکاک استاتیک برابر است و جهت عمل آن نیز مشخص شده است. در اینجا سایر مشخصات کمیت Ft را فهرست می کنیم.
اصطکاک در حالت استراحت به ناحیه تماس بستگی ندارد. این تنها با واکنش حمایت تعیین می شود. هر چه سطح تماس بزرگتر باشد، تغییر شکل قله ها و فرورفتگی های میکروسکوپی کوچکتر است، اما تعداد آنها بیشتر است. این واقعیت شهودی توضیح می دهد که چرا اگر نوار با کوچکتر به لبه برگردانده شود، حداکثر Ftt تغییر نمی کند.منطقه.
اصطکاک در حال استراحت و اصطکاک لغزشی ماهیت یکسانی دارند که با فرمول های یکسان توصیف می شوند، اما دومی همیشه کمتر از اولی است. اصطکاک لغزشی زمانی رخ می دهد که بلوک شروع به حرکت در امتداد سطح می کند.
Force Ft در بیشتر موارد کمیت ناشناخته است. فرمولی که در بالا برای آن ارائه شده است با حداکثر مقدار Ft در لحظه شروع حرکت نوار مطابقت دارد. برای درک واضح تر این واقعیت، در زیر نموداری از وابستگی نیروی Ft به تأثیر خارجی F ارائه شده است.
t صحبت کرد، زیرا با اصطکاک لغزشی جایگزین شده است.
سرانجام، آخرین ویژگی مهم قدرت Ft این است که به سرعت حرکت بستگی ندارد (در سرعت های نسبتاً بالا، Ftکاهش می یابد).
ضریب اصطکاک میکرو ثانیه
از آنجایی که μs در فرمول مدول اصطکاک ظاهر می شود، باید چند کلمه در مورد آن گفت.
ضریب اصطکاک µs یک ویژگی منحصر به فرد این دو سطح است. این به وزن بدن بستگی ندارد، به صورت تجربی تعیین می شود. به عنوان مثال، برای یک جفت درخت-درخت، بسته به نوع درخت و کیفیت درمان سطح بدنه های مالشی، از 0.25 تا 0.5 متغیر است. برای سطوح چوبی واکس شده رویبرف مرطوب μs=0.14، و برای مفاصل انسان این ضریب مقادیر بسیار پایینی دارد (≈0.01).
مقدار μs برای جفت مواد مورد نظر هرچه باشد، ضریب مشابهی از اصطکاک لغزشی μk همیشه خواهد بود. کوچکتر. برای مثال، هنگام لغزش درخت روی درخت، برابر با 0.2 است و برای مفاصل انسان از 0.003 تجاوز نمی کند.
در ادامه راه حل دو مشکل فیزیکی را در نظر می گیریم که در آن می توانیم دانش به دست آمده را به کار ببریم.
نوار روی سطح شیبدار: محاسبه نیرو Ft
کار اول بسیار ساده است. بیایید فرض کنیم که یک بلوک چوبی روی یک سطح چوبی قرار دارد. جرم آن 1.5 کیلوگرم است. سطح با زاویه 15o نسبت به افق متمایل است. در صورت عدم حرکت میله باید نیروی اصطکاک ساکن را تعیین کرد.
مشکل این مشکل این است که بسیاری از افراد با محاسبه واکنش ساپورت شروع می کنند و سپس با استفاده از داده های مرجع برای ضریب اصطکاک µs، از موارد فوق استفاده می کنند. فرمول تعیین حداکثر مقدار F t. با این حال، در این مورد، Ft حداکثر نیست. مدول آن فقط برابر با نیروی خارجی است که میل را از جای خود به پایین صفحه حرکت می دهد. این نیرو عبارت است از:
F=mgsin(α).
سپس نیروی اصطکاک Ft برابر با F خواهد بود. با جایگزینی داده ها به تساوی، به پاسخ می رسیم: نیروی اصطکاک ایستا در صفحه شیبدار F t=3.81 نیوتن.
نوار روی سطح شیبدار: محاسبهحداکثر زاویه شیب
حالا بیایید مشکل زیر را حل کنیم: یک بلوک چوبی روی صفحه مایل چوبی قرار دارد. با فرض ضریب اصطکاک برابر با 0.4، باید حداکثر زاویه شیب α صفحه نسبت به افق را که در آن میله شروع به لغزش می کند، پیدا کرد.
لغزش زمانی شروع می شود که برآمدگی وزن بدن در هواپیما برابر با حداکثر نیروی اصطکاک ساکن شود. بیایید شرط مربوطه را بنویسیم:
F=Ft=>
mgsin(α)=μsmgcos(α)=>
tg(α)=μs=>
α=آرکتان(µs).
با جایگزینی مقدار μs=0، 4 در آخرین معادله، α=21، 8o را دریافت می کنیم.
