نیروی اصطکاک یک کمیت فیزیکی است که از هرگونه حرکت بدن جلوگیری می کند. به عنوان یک قاعده، زمانی که اجسام در مواد جامد، مایع و گاز حرکت می کنند، اتفاق می افتد. انواع مختلفی از نیروهای اصطکاک نقش مهمی در زندگی انسان دارند، زیرا از افزایش بیش از حد سرعت اجسام جلوگیری می کنند.
طبقه بندی نیروهای اصطکاک
در حالت کلی، همه انواع نیروهای اصطکاک با سه نوع توصیف می شوند: نیروی اصطکاک لغزش، غلتش و استراحت. اولی ثابت است، دو مورد دیگر پویا هستند. اصطکاک در حالت استراحت از شروع حرکت بدن جلوگیری می کند، به نوبه خود در هنگام سر خوردن، اصطکاک زمانی وجود دارد که بدن در حین حرکت به سطح جسم دیگری ساییده شود. اصطکاک غلتشی زمانی اتفاق می افتد که یک جسم گرد حرکت می کند. بیایید یک مثال بزنیم. یک مثال بارز از نوع (نیروی اصطکاک غلتشی) حرکت چرخ‌های ماشین روی آسفالت است.
ماهیت نیروهای اصطکاک وجود عیوب میکروسکوپی بین سطوح مالشی دو جسم است. به همین دلیل، نیروی حاصل بر رویجسمی که در حال حرکت یا شروع به حرکت است، از مجموع نیروی واکنش عادی تکیه گاه N که عمود بر سطح اجسام در تماس است و نیروی اصطکاک F تشکیل شده است. نیروی اصطکاک به موازات سطح تماس و مخالف حرکت بدن است.
اصطکاک بین دو جامد
هنگام در نظر گرفتن موضوع انواع مختلف نیروهای اصطکاک، الگوهای زیر برای دو جسم جامد مشاهده شد:
- نیروی اصطکاک به موازات سطح تکیه گاه هدایت می شود.
- ضریب اصطکاک به ماهیت سطوح در تماس و همچنین به وضعیت آنها بستگی دارد.
- حداکثر نیروی اصطکاک با نیروی طبیعی یا واکنش حمایتی که بین سطوح تماس اعمال می شود نسبت مستقیم دارد.
- برای اجسام مشابه، نیروی اصطکاک قبل از شروع حرکت جسم بیشتر است و سپس با شروع حرکت بدن کاهش می یابد.
- ضریب اصطکاک به سطح تماس بستگی ندارد و عملاً به سرعت لغزش بستگی ندارد.
قوانین
با خلاصه کردن مطالب تجربی در مورد قوانین حرکت، قوانین اساسی زیر را در مورد اصطکاک ایجاد کردیم:
- مقاومت در برابر لغزش بین دو جسم متناسب با نیروی طبیعی اعمال شده بین آنها است.
- مقاومت در برابر حرکت بین اجسام مالشی به ناحیه تماس بین آنها بستگی ندارد.
برای نشان دادن قانون دوم، می‌توان مثال زیر را بیان کرد: اگر یک بلوک را بردارید و با لغزش روی سطح آن را حرکت دهید، نیروی لازم برای چنین حرکتی وجود دارد.هنگامی که بلوک با ضلع بلند خود روی سطح قرار می گیرد و زمانی که با انتهای خود می ایستد یکسان خواهد بود.
قوانین مربوط به انواع نیروهای اصطکاک در فیزیک در پایان قرن پانزدهم توسط لئونارد داوینچی کشف شد. سپس آنها برای مدت طولانی فراموش شدند و تنها در سال 1699 توسط مهندس فرانسوی آمونتون دوباره کشف شدند. از آن زمان به بعد، قوانین اصطکاک نام او را یدک می کشند.
چرا نیروی اصطکاک بیشتر از لغزش در حالت سکون است؟
هنگام در نظر گرفتن چندین نوع نیروی اصطکاک (استراحت و لغزش)، باید توجه داشت که نیروی اصطکاک استاتیکی همیشه کمتر یا مساوی حاصل ضرب ضریب اصطکاک ساکن و نیروی واکنش تکیه گاه است. ضریب اصطکاک به صورت تجربی برای این مواد مالشی تعیین شده و در جداول مربوطه وارد می شود.
نیروی دینامیکی مانند نیروی ایستا محاسبه می شود. فقط در این مورد، ضریب اصطکاک به طور خاص برای لغزش استفاده می شود. ضریب اصطکاک معمولا با حرف یونانی Μ (mu) نشان داده می شود. بنابراین، فرمول کلی برای هر دو نیروی اصطکاک این است: Ftr=ΜN، که در آن N نیروی واکنش پشتیبانی است.
ماهیت تفاوت بین این نوع نیروهای اصطکاک به طور دقیق مشخص نشده است. با این حال، اکثر دانشمندان بر این باورند که نیروی اصطکاک استاتیکی بیشتر از لغزش است، زیرا زمانی که اجسام برای مدتی نسبت به یکدیگر در حال استراحت هستند، پیوندهای یونی یا میکرو همجوشی نقاط منفرد سطوح می‌تواند بین سطوح آنها ایجاد شود. این عوامل باعث افزایش استاتیک می شوندنشانگر.
نمونه ای از چندین نوع نیروی اصطکاک و تجلی آنها پیستون موجود در سیلندر موتور خودرو است که در صورت کار نکردن موتور برای مدت طولانی به سیلندر "لحیم" می شود.
بدنه کشویی افقی
بیایید معادله حرکت جسمی را بدست آوریم که تحت تأثیر نیروی خارجی Fدر با لغزش شروع به حرکت در امتداد سطح می کند. در این حالت، نیروهای زیر بر بدن وارد می شوند:
- Fv - نیروی خارجی؛
- Ftr - نیروی اصطکاک مخالف جهت نیروی Fv;
- N نیروی واکنش تکیه گاه است که از نظر قدر مطلق برابر با وزن جسم P است و به سمت سطح یعنی با زاویه قائم به آن هدایت می شود.
با در نظر گرفتن جهت همه نیروها، قانون دوم نیوتن را برای این حالت حرکت می نویسیم: Fv - Ftr=ma، که در آن m - توده بدن، a - شتاب حرکت. با دانستن اینکه Ftr=ΜN، N=P=mg، جایی که g شتاب سقوط آزاد است، دریافت می کنیم: Fv – Μmg=ma. از این رو، با بیان شتاب حرکت بدنه لغزنده، به دست می‌آید: a=F در / m – Μg.
حرکت جسم صلب در مایع
هنگام در نظر گرفتن انواع نیروهای اصطکاک، باید به یک پدیده مهم در فیزیک اشاره کرد که شرح چگونگی حرکت یک جسم جامد در مایع است. در این مورد، ما در مورد اصطکاک آیرودینامیکی صحبت می کنیم که بسته به سرعت بدن در سیال تعیین می شود. دو نوع حرکت وجود دارد:
- وقتییک جسم صلب با سرعت کم حرکت می کند، یکی از حرکت آرام صحبت می کند. نیروی اصطکاک در حرکت آرام متناسب با سرعت است. یک مثال قانون استوکس برای اجسام کروی است.
- هنگامی که حرکت جسمی در یک سیال با سرعتی بالاتر از مقدار آستانه مشخصی اتفاق می افتد، آنگاه گرداب هایی از جریان سیال در اطراف بدن ظاهر می شوند. این گرداب ها نیروی اضافی ایجاد می کنند که مانع حرکت می شود و در نتیجه نیروی اصطکاک با مجذور سرعت متناسب است.
ماهیت نیروی اصطکاک غلتشی
هنگامی که در مورد انواع نیروهای اصطکاک صحبت می شود، مرسوم است که نیروی اصطکاک غلتشی را نوع سوم می نامند. زمانی خود را نشان می دهد که جسمی بر روی سطح خاصی بغلتد و تغییر شکل این جسم و خود سطح رخ دهد. یعنی در مورد یک جسم و سطح کاملاً غیرقابل تغییر شکل، صحبت از نیروی اصطکاک غلتشی فایده ای ندارد. بیایید نگاه دقیق‌تری بیندازیم.
مفهوم ضریب اصطکاک غلتشی شبیه به لغزش است. از آنجایی که در هنگام نورد بین سطوح اجسام لغزشی وجود ندارد، ضریب اصطکاک غلتش بسیار کمتر از لغزش است.
عامل اصلی که بر ضریب تأثیر می گذارد، پسماند انرژی مکانیکی برای نوع نیروی اصطکاک غلتشی است. به طور خاص، چرخ، بسته به ماده ای که از آن ساخته شده است، و همچنین باری که حمل می کند، در حین حرکت تغییر شکل می دهد. چرخه های تکراری تغییر شکل الاستیک منجر به انتقال بخشی از انرژی مکانیکی به انرژی گرمایی می شود. علاوه بر این، به دلیلآسیب، تماس چرخ و سطح از قبل دارای سطح تماس محدود است.
فرمول نیروی اصطکاک غلتشی
اگر عبارت لحظه نیرویی که چرخ را می چرخاند اعمال کنیم، می توانیم دریافت کنیم که نیروی اصطکاک غلتشی Ftr.k.=Μ است. k N / R، در اینجا N واکنش تکیه گاه است، R شعاع چرخ است، Μk – ضریب اصطکاک غلتشی است. بنابراین، نیروی اصطکاک غلتشی با شعاع نسبت معکوس دارد، که مزیت چرخ‌های بزرگ را نسبت به چرخ‌های کوچک توضیح می‌دهد.
نسبت معکوس این نیرو به شعاع چرخ نشان می دهد که در مورد دو چرخ با شعاع های مختلف که جرم یکسانی دارند و از یک ماده ساخته شده اند، چرخی با شعاع بزرگتر آسان تر است. تکان خوردن.
نسبت نورد
مطابق با فرمول این نوع نیروی اصطکاک، به دست می آوریم که ضریب اصطکاک غلتشی Μk دارای بعد طول است. این عمدتا به ماهیت بدن های تماس گیرنده بستگی دارد. مقداری که با نسبت ضریب اصطکاک نورد به شعاع تعیین می شود، ضریب نورد نامیده می شود، یعنی Ck=Μk / R یک کمیت بدون بعد است.
ضریب نورد Ck به طور قابل توجهی کمتر از ضریب اصطکاک لغزشی Μtr است. بنابراین، هنگام پاسخ به این سؤال که کدام نوع نیروی اصطکاک کمتر است، می‌توانیم با خیال راحت نیروی اصطکاک غلتشی را نام ببریم. با توجه به این واقعیت، اختراع چرخ گام مهمی در پیشرفت تکنولوژی محسوب می شود.انسانیت.
نسبت نورد مختص سیستم است و به عوامل زیر بستگی دارد:
- سختی چرخ و سطح (هرچه تغییر شکل اجسام در حین حرکت کوچکتر باشد، ضریب غلتش کمتر است)؛
- شعاع چرخ؛
- وزنه ای که روی چرخ عمل می کند؛
- سطح تماس و شکل آن؛
- ویسکوزیته در ناحیه تماس بین چرخ و سطح؛
- دمای بدن
