هر دانش آموزی می داند که هنگام تماس بین دو سطح جامد، به اصطلاح نیروی اصطکاک ایجاد می شود. بیایید در این مقاله با تمرکز بر نقطه اعمال نیروی اصطکاک بررسی کنیم.
چه نوع نیروی اصطکاک وجود دارد؟
قبل از در نظر گرفتن نقطه اعمال نیروی اصطکاک، لازم است به طور خلاصه به یاد آورید که چه نوع اصطکاک در طبیعت و فناوری وجود دارد.
بیایید اصطکاک استاتیک را در نظر بگیریم. این نوع حالت یک جسم جامد را در حالت استراحت بر روی برخی از سطوح مشخص می کند. اصطکاک استراحت مانع از جابجایی بدن از حالت استراحت می شود. به عنوان مثال، به دلیل عملکرد همین نیرو، حرکت دادن کابینت روی زمین برای ما دشوار است.
اصطکاک لغزشی نوع دیگری از اصطکاک است. در صورت تماس بین دو سطح که روی یکدیگر می لغزند، خود را نشان می دهد. اصطکاک لغزشی با حرکت مخالف است (جهت نیروی اصطکاک مخالف سرعت جسم است). نمونه بارز عمل آن اسکی باز یا اسکیت باز است که روی یخ روی برف می لغزد.
در نهایت، نوع سوم اصطکاک غلتش است. همیشه زمانی وجود دارد که یک بدن روی سطح بدن دیگری می غلتد. برای مثال، غلتش یک چرخ یا یاتاقان‌ها نمونه‌های اصلی هستند که در آن اصطکاک غلتشی مهم است.
دو نوع اول توصیف شده به دلیل ناهمواری روی سطوح ساینده ایجاد می شوند. نوع سوم به دلیل هیسترزیس تغییر شکل بدنه نورد ایجاد می شود.
نقاط کاربرد نیروهای اصطکاک لغزشی و سکون
در بالا گفته شد که اصطکاک ایستا از نیروی عامل خارجی که تمایل دارد جسم را در امتداد سطح تماس حرکت دهد، جلوگیری می کند. این بدان معنی است که جهت نیروی اصطکاک مخالف جهت نیروی خارجی موازی با سطح است. نقطه اعمال نیروی اصطکاک در نظر گرفته شده در ناحیه تماس بین دو سطح است.
درک این نکته مهم است که نیروی اصطکاک استاتیک یک مقدار ثابت نیست. دارای حداکثر مقدار است که با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:
Ft=μtN.
با این حال، این مقدار حداکثر فقط زمانی ظاهر می شود که بدن حرکت خود را شروع کند. در هر حالت دیگری، نیروی اصطکاک استاتیک دقیقاً از نظر مقدار مطلق برابر با سطح موازی نیروی خارجی است.
در مورد نقطه اعمال نیروی اصطکاک لغزشی، تفاوتی با نقطه اعمال نیروی اصطکاک استاتیکی ندارد. در مورد تفاوت بین اصطکاک استاتیک و لغزشی، باید به اهمیت مطلق این نیروها اشاره کرد. بنابراین، نیروی اصطکاک لغزشی برای یک جفت معین از مواد یک مقدار ثابت است. علاوه بر این، همیشه کمتر از حداکثر نیروی اصطکاک ساکن است.
همانطور که می بینید، نقطه اعمال نیروهای اصطکاک با مرکز ثقل جسم منطبق نیست. این بدان معناست که نیروهای مورد بررسی لحظه ای را ایجاد می کنند که تمایل به واژگونی بدنه لغزنده به جلو دارند. زمانی که دوچرخه‌سوار با چرخ جلو به شدت ترمز می‌کند، حالت دوم قابل مشاهده است.
اصطکاک نورد و نقطه کاربرد آن
از آنجایی که علت فیزیکی اصطکاک غلتشی با انواع اصطکاک مورد بحث در بالا متفاوت است، نقطه اعمال نیروی اصطکاک غلتشی کمی متفاوت است.
فرض کنید که چرخ ماشین روی پیاده رو است. بدیهی است که این چرخ تغییر شکل داده است. سطح تماس آن با آسفالت برابر است با 2dl که l عرض چرخ و 2d طول تماس جانبی چرخ و آسفالت است. نیروی اصطکاک غلتشی، در ماهیت فیزیکی خود، خود را به شکل یک لحظه واکنش تکیه گاه در مقابل چرخش چرخ نشان می دهد. این لحظه به صورت زیر محاسبه می شود:
M=Nd
اگر آن را تقسیم کنیم و در شعاع چرخ R ضرب کنیم، به دست می آید:
M=Nd/RR=FtR که در آن Ft=Nd/R
بنابراین، نیروی اصطکاک غلتشی Ft در واقع واکنش تکیه گاه است و لحظه ای نیرو ایجاد می کند که تمایل دارد چرخش چرخ را کاهش دهد.
نقطه اعمال این نیرو نسبت به سطح صفحه به صورت عمودی به سمت بالا هدایت می شود و با d از مرکز جرم به سمت راست منتقل می شود (با فرض اینکه چرخ از چپ به راست حرکت می کند).
نمونه ای از حل مسئله
اکشننیروی اصطکاک از هر نوعی که باشد تمایل دارد حرکت مکانیکی اجسام را کند کند و در عین حال انرژی جنبشی آنها را به گرما تبدیل کند. بیایید مشکل زیر را حل کنیم:
میله روی یک سطح شیبدار می لغزد. شتاب حرکت آن را در صورتی باید محاسبه کرد که ضریب لغزش 0.35 و زاویه شیب سطح 35o است.
بیایید در نظر بگیریم که چه نیروهایی روی میله عمل می کنند. ابتدا، جزء جاذبه به سمت پایین در امتداد سطح لغزنده هدایت می شود. برابر است با:
F=mgsin(α)
ثانیاً، یک نیروی اصطکاک ثابت در امتداد صفحه به سمت بالا عمل می کند، که بر خلاف بردار شتاب جسم است. می توان آن را با فرمول تعیین کرد:
Ft=μtN=μtmgcos (a)
سپس قانون نیوتن برای میله ای که با شتاب a حرکت می کند به شکل زیر در می آید:
ma=mgsin(α) - μtmgcos(α)=>
a=gsin(α) - μtgcos(α)
با جایگزینی داده ها به برابری، دریافت می کنیم که a=2.81 m/s2. توجه داشته باشید که شتاب یافت شده به جرم میله بستگی ندارد.
