اصطکاک یک پدیده فیزیکی است که فرد برای کاهش آن در هر قسمت چرخشی و لغزشی مکانیسم ها با آن دست و پنجه نرم می کند، اما بدون آن حرکت هر یک از این مکانیسم ها غیرممکن است. در این مقاله، از دیدگاه فیزیک، نیروی اصطکاک غلتشی را بررسی خواهیم کرد.
چه نوع نیروهای اصطکاک در طبیعت وجود دارد؟
قبل از هر چیز، در نظر بگیرید که اصطکاک غلتشی چه جایگاهی را در بین نیروهای اصطکاک دیگر می گیرد. این نیروها در نتیجه تماس دو جسم مختلف به وجود می آیند. می تواند جامد، مایع یا گاز باشد. به عنوان مثال، پرواز یک هواپیما در تروپوسفر با وجود اصطکاک بین بدن و مولکول های هوا همراه است.
با توجه به اجسام منحصراً جامد، نیروهای اصطکاک استراحت، لغزش و غلتش را مشخص می کنیم. هر یک از ما متوجه شدیم: برای تکان دادن جعبه روی زمین، لازم است مقداری نیرو در امتداد سطح کف اعمال کنیم. مقدار نیرویی که جعبه ها را از حالت سکون خارج می کند از نظر مقدار مطلق برابر با نیروی اصطکاک سکون خواهد بود. دومی بین پایین جعبه و سطح کف عمل می کند.
چگونههنگامی که جعبه حرکت خود را آغاز کرد، یک نیروی ثابت باید اعمال شود تا این حرکت یکنواخت بماند. این واقعیت با این واقعیت مرتبط است که بین تماس کف و جعبه، نیروی اصطکاک لغزشی بر روی دومی تأثیر می گذارد. به عنوان یک قاعده، چندین ده درصد کمتر از اصطکاک استاتیک است.
اگر استوانه های گرد از مواد سخت را زیر جعبه قرار دهید، جابجایی آن بسیار آسان تر می شود. نیروی اصطکاک غلتشی بر روی سیلندرهای در حال چرخش در فرآیند حرکت در زیر جعبه تأثیر می گذارد. معمولاً بسیار کوچکتر از دو نیروی قبلی است. به همین دلیل است که اختراع چرخ توسط بشر جهشی بزرگ به سوی پیشرفت بود، زیرا مردم می‌توانستند بارهای بزرگ‌تری را با نیروی اعمالی کم جابه‌جا کنند.
ماهیت فیزیکی اصطکاک غلتشی
چرا اصطکاک غلتشی رخ می دهد؟ این سوال آسان نیست. برای پاسخ به آن، باید با جزئیات در نظر گرفت که در طول فرآیند نورد چه اتفاقی برای چرخ و سطح می افتد. اول از همه، آنها کاملاً صاف نیستند - نه سطح چرخ و نه سطحی که روی آن می چرخد. با این حال، این دلیل اصلی اصطکاک نیست. دلیل اصلی تغییر شکل یک یا هر دو بدن است.
هر جسمی، مهم نیست از چه ماده جامدی ساخته شده باشد، تغییر شکل می دهد. هر چه وزن بدن بیشتر باشد، فشار بیشتری بر سطح وارد می کند، به این معنی که در محل تماس خود را تغییر شکل داده و سطح را تغییر شکل می دهد. این تغییر شکل در برخی موارد آنقدر کوچک است که از حد الاستیک تجاوز نمی کند.
Bدر حین چرخش چرخ، نواحی تغییر شکل یافته پس از پایان تماس با سطح، شکل اولیه خود را بازیابی می کنند. با این وجود، این تغییر شکل ها به صورت دوره ای با یک چرخش جدید چرخ تکرار می شوند. هر تغییر شکل چرخه ای، حتی اگر در حد الاستیک باشد، با پسماند همراه است. به عبارت دیگر، در سطح میکروسکوپی، شکل بدن قبل و بعد از تغییر شکل متفاوت است. پسماند چرخه های تغییر شکل در طول چرخش چرخ منجر به "پراکندگی" انرژی می شود که در عمل خود را به شکل ظهور نیروی اصطکاک غلتشی نشان می دهد.
رولینگ بدن عالی
تحت بدن ایده آل در این مورد منظور ما این است که غیرقابل تغییر شکل است. در مورد یک چرخ ایده آل، سطح تماس آن با سطح صفر است (سطح را در امتداد خط لمس می کند).
بیایید نیروهایی را که روی یک چرخ غیرقابل تغییر شکل می دهند، مشخص کنیم. اولاً، این دو نیروی عمودی هستند: وزن بدن P و نیروی واکنش پشتیبانی N. هر دو نیرو از مرکز جرم (محور چرخ) عبور می کنند، بنابراین در ایجاد گشتاور شرکت نمی کنند. برای آنها می توانید بنویسید:
P=N
دوم، اینها دو نیروی افقی هستند: یک نیروی خارجی F که چرخ را به جلو می راند (از مرکز جرم عبور می کند)، و یک نیروی اصطکاک غلتشی fr. دومی یک گشتاور M ایجاد می کند. برای آنها می توانید برابری های زیر را بنویسید:
M=frr;
F=fr
در اینجا r شعاع چرخ است. این برابری ها حاوی یک نتیجه گیری بسیار مهم است. اگر نیروی اصطکاک fr بی نهایت کوچک باشد، آنگاههمچنان گشتاوری ایجاد می کند که باعث حرکت چرخ می شود. از آنجایی که نیروی خارجی F برابر است با fr، بنابراین هر مقدار بی نهایت کوچک F باعث می شود چرخ بچرخد. این بدان معناست که اگر بدنه غلتشی ایده آل است و در حین حرکت تغییر شکلی را تجربه نمی کند، دیگر نیازی به صحبت در مورد نیروی اصطکاک غلتشی نیست.
همه اجسام موجود واقعی هستند، یعنی تغییر شکل را تجربه می کنند.
غلتیدن بدن واقعی
حالا وضعیتی که در بالا توضیح داده شد را فقط در مورد اجسام واقعی (تغییر شکل) در نظر بگیرید. سطح تماس بین چرخ و سطح دیگر صفر نخواهد بود، مقداری محدود خواهد داشت.
بیایید نیروها را تحلیل کنیم. بیایید با عمل نیروهای عمودی، یعنی وزن و واکنش تکیه گاه شروع کنیم. آنها همچنان با یکدیگر برابر هستند، یعنی:
N=P
با این حال، اکنون نیروی N به صورت عمودی به سمت بالا عمل می کند نه از طریق محور چرخ، بلکه کمی با فاصله d از آن جابه جا می شود. اگر سطح تماس چرخ با سطح را مساحت یک مستطیل تصور کنیم، طول این مستطیل به ضخامت چرخ و عرض آن برابر با 2d خواهد بود.
حالا به بررسی نیروهای افقی می پردازیم. نیروی خارجی F همچنان گشتاور ایجاد نمی کند و برابر با نیروی اصطکاک fr در مقدار مطلق است، یعنی:
F=fr.
لمان نیروهای منتهی به چرخش باعث ایجاد اصطکاک fr و واکنش تکیه گاه N می شود. علاوه بر این، این گشتاورها در جهت های مختلف هدایت می شوند. عبارت مربوطه استنوع:
M=Nd - frr
در حالت حرکت یکنواخت، لحظه M برابر با صفر خواهد بود، بنابراین به دست می آید:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
آخرین برابری، با در نظر گرفتن فرمول های نوشته شده در بالا، می تواند به صورت زیر بازنویسی شود:
F=d/rP
در واقع، ما فرمول اصلی را برای درک نیروی اصطکاک غلتشی دریافت کردیم. در ادامه مقاله به تحلیل آن خواهیم پرداخت.
ضریب مقاومت غلتشی
این ضریب قبلاً در بالا معرفی شده است. توضیح هندسی نیز داده شد. ما در مورد مقدار d صحبت می کنیم. بدیهی است که هر چه این مقدار بزرگتر باشد، لحظه ای بیشتر باعث ایجاد نیروی واکنش تکیه گاه می شود که از حرکت چرخ جلوگیری می کند.
ضریب مقاومت غلتشی d، بر خلاف ضرایب اصطکاک استاتیک و لغزشی، یک مقدار ابعادی است. با واحد طول اندازه گیری می شود. در جداول معمولاً بر حسب میلی متر آورده می شود. به عنوان مثال، برای چرخ های قطار که روی ریل های فولادی نورد می شوند، d=0.5 میلی متر. مقدار d به سختی دو ماده، بار روی چرخ، دما و برخی عوامل دیگر بستگی دارد.
ضریب اصطکاک نورد
آن را با ضریب d قبلی اشتباه نگیرید. ضریب اصطکاک غلتشی با نماد Cr نشان داده می شود و با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:
Cr=d/r
این برابری به این معنی است که Cr بدون بعد است. این اوست که در تعدادی جداول حاوی اطلاعاتی در مورد نوع اصطکاک در نظر گرفته شده است. این ضریب برای محاسبات عملی مناسب است،زیرا مستلزم دانستن شعاع چرخ نیست.
مقدار Cr در بیشتر موارد کمتر از ضرایب اصطکاک و استراحت است. به عنوان مثال، برای لاستیک‌های خودرویی که روی آسفالت حرکت می‌کنند، مقدار Cr در چند صدم (0.01 - 0.06) است. با این حال، هنگام اجرای لاستیک‌ها روی چمن و شن و ماسه به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد (≈0.4).
تجزیه و تحلیل فرمول حاصل برای نیروی fr
بیایید دوباره فرمول بالا را برای نیروی اصطکاک غلتشی بنویسیم:
F=d/rP=fr
از برابری چنین برمی‌آید که هرچه قطر چرخ بزرگتر باشد، نیروی F کمتری باید وارد شود تا شروع به حرکت کند. اکنون این برابری را از طریق ضریب Cr می نویسیم، داریم:
fr=CrP
همانطور که می بینید، نیروی اصطکاک با وزن بدن نسبت مستقیم دارد. علاوه بر این، با افزایش قابل توجه وزن P، ضریب Cr خود تغییر می کند (به دلیل افزایش d افزایش می یابد). در بیشتر موارد عملی Cr در چند صدم قرار دارد. به نوبه خود، مقدار ضریب اصطکاک لغزشی در چند دهم قرار دارد. از آنجایی که فرمول نیروهای اصطکاک غلتشی و لغزشی یکسان است، نورد از نقطه نظر انرژی مفید است (نیروی fr مرتبه‌ای کمتر از نیروی لغزش در عملی ترین موقعیت ها).
شرایط نورد
بسیاری از ما مشکل لیز خوردن چرخ های خودرو هنگام رانندگی روی یخ یا گل را تجربه کرده ایم. چرا این هستاتفاق می افتد؟ کلید پاسخ به این سوال در نسبت مقادیر مطلق نیروهای اصطکاک غلتشی و استراحت نهفته است. بیایید دوباره فرمول چرخشی را بنویسیم:
F ≧ CrP
وقتی نیروی F بزرگتر یا مساوی با اصطکاک غلتشی باشد، چرخ شروع به غلتیدن می کند. با این حال، اگر این نیرو زودتر از مقدار اصطکاک ساکن بیشتر شود، چرخ زودتر از غلتش می لغزد.
بنابراین، اثر لغزش با نسبت ضرایب اصطکاک ساکن و اصطکاک غلتشی تعیین می شود.
راههای مقابله با لغزش چرخ خودرو
اصطکاک غلتشی یک چرخ ماشین روی یک سطح لغزنده (مثلاً روی یخ) با ضریب Cr=0.01-0.06 مشخص می شود. اما مقادیر همین ترتیب برای ضریب اصطکاک استاتیک معمول است.
برای جلوگیری از خطر لغزش چرخ ها، از لاستیک های مخصوص "زمستانی" استفاده می شود که میخ های فلزی در آنها پیچ می شوند. دومی، با برخورد به سطح یخ، ضریب اصطکاک ساکن را افزایش می دهد.
راه دیگر برای افزایش اصطکاک استاتیک، اصلاح سطحی است که چرخ روی آن حرکت می کند. به عنوان مثال، با پاشیدن آن با ماسه یا نمک.
