اصطکاک پدیده ای است که ما همیشه در زندگی روزمره با آن روبرو هستیم. تعیین مضر یا مفید بودن اصطکاک غیرممکن است. حتی یک قدم برداشتن روی یخ لغزنده کار دشواری به نظر می رسد؛ راه رفتن روی سطح ناهموار آسفالت لذت بخش است. قطعات خودرو بدون روغن کاری بسیار سریعتر فرسوده می شوند.
مطالعه اصطکاک، آگاهی از خواص اساسی آن به فرد امکان استفاده از آن را می دهد.
نیروی اصطکاک در فیزیک
نیروی ناشی از حرکت یا تلاش برای حرکت یک جسم بر روی سطح جسم دیگر که بر خلاف جهت حرکت به اجسام متحرک وارد می شود، نیروی اصطکاک نامیده می شود. مدول نیروی اصطکاک که فرمول آن به پارامترهای زیادی بستگی دارد بسته به نوع مقاومت متفاوت است.
انواع اصطکاک زیر متمایز می شوند:
• استراحت؛
• لغزش;
• نورد.
هر گونه تلاش برای جابجایی یک جسم سنگین (کابینت، سنگ) از جای خود منجر به تنش قدرت فرد می شود. در عین حال، همیشه نمی توان جسم را به حرکت درآورد. اصطکاک استراحت با این تداخل دارد.
حالت استراحت
فرمول محاسبه نیروی اصطکاک ساکنبه ما اجازه نمی دهد آن را با دقت کافی تعیین کنیم. بر اساس قانون سوم نیوتن، مقدار نیروی مقاومت ساکن به نیروی اعمال شده بستگی دارد.
با افزایش نیرو، نیروی اصطکاک نیز افزایش می یابد.
0 < Fمشکل استراحت < Fmax
اصطکاک استراحت مانع از افتادن میخ‌هایی می‌شود که روی چوب فرو می‌روند. دکمه های دوخته شده با نخ محکم در جای خود قرار می گیرند. جالب اینجاست که این مقاومت استراحت است که به فرد اجازه راه رفتن می دهد. علاوه بر این، در جهت حرکت انسان است که با وضعیت عمومی امور در تضاد است.
پدیده لغزش
وقتی نیروی خارجی که جسم را به حرکت در می آورد تا مقدار بزرگترین نیروی اصطکاک ایستا افزایش می یابد، شروع به حرکت می کند. نیروی اصطکاک لغزشی در فرآیند لغزش یک جسم بر روی سطح جسم دیگر در نظر گرفته می شود. مقدار آن به خواص سطوح در حال تعامل و نیروی عمل عمودی روی سطح بستگی دارد.
فرمول محاسبه نیروی اصطکاک لغزشی: F=ΜP، که در آن Μ ضریب تناسب (اصطکاک لغزشی)، P نیروی فشار عمودی (عادی) است.
یکی از نیروهای محرک نیروی اصطکاک لغزشی است که فرمول آن با استفاده از نیروی واکنش تکیه گاه نوشته شده است. به دلیل تحقق قانون سوم نیوتن، نیروهای فشار عادی و واکنش تکیه گاه از نظر بزرگی یکسان و در جهت مخالف هستند: Р=N.
قبل از اینکه نیروی اصطکاک را که فرمول آن شکل متفاوتی دارد (F=M N) پیدا کنید، نیروی واکنش را تعیین کنید.
ضریب مقاومت لغزشی به صورت تجربی برای دو سطح مالشی معرفی شده است که بستگی به کیفیت پردازش و مواد آنها دارد.
جدول. مقدار ضریب مقاومت برای سطوح مختلف
| pp | سطوح متقابل | مقدار ضریب اصطکاک لغزشی |
| 1 | فولاد+یخ | 0, 027 |
| 2 | بلوط+بلوط | 0, 54 |
| 3 | چرم+چدن | 0, 28 |
| 4 | برنز+آهن | 0, 19 |
| 5 | برنز+چدن | 0, 16 |
| 6 | فولاد+فولاد | 0, 15 |
بزرگترین نیروی اصطکاک ساکن که فرمول آن در بالا نوشته شد را می توان به همان روشی که نیروی اصطکاک لغزشی تعیین کرد.
این در هنگام حل مسائل برای تعیین قدرت مقاومت رانندگی مهم می شود. به عنوان مثال، کتابی که توسط یک دست فشار داده شده از بالا حرکت می کند، تحت تأثیر نیروی مقاومتی که بین دست و کتاب ایجاد می شود، می لغزد. مقدار مقاومت به مقدار نیروی فشار عمودی روی کتاب بستگی دارد.
پدیده غلتیدن
گذار اجداد ما از دراگ به ارابه انقلابی تلقی می شود. اختراع چرخ بزرگترین اختراع بشر است.اصطکاک غلتشی که هنگام حرکت چرخ بر روی یک سطح رخ می دهد، از نظر بزرگی به میزان قابل توجهی کمتر از مقاومت در برابر لغزش است.
ظهور نیروهای اصطکاک غلتشی با نیروهای فشار عادی چرخ بر روی سطح همراه است، ماهیتی دارد که آن را از لغزش متمایز می کند. به دلیل تغییر شکل جزئی چرخ، نیروهای فشار متفاوتی در مرکز ناحیه تشکیل شده و در امتداد لبه های آن ایجاد می شود. این تفاوت نیروها، وقوع مقاومت غلتشی را تعیین می‌کند.
فرمول محاسبه نیروی اصطکاک غلتشی معمولاً مشابه فرآیند لغزش در نظر گرفته می شود. تفاوت فقط در مقادیر ضریب درگ مشاهده می شود.
ماهیت مقاومت
وقتی زبری سطوح مالش تغییر می کند، مقدار نیروی اصطکاک نیز تغییر می کند. در بزرگنمایی بالا، دو سطح در تماس مانند برجستگی هایی با قله های تیز به نظر می رسند. وقتی روی هم قرار می گیرند، قسمت های بیرون زده بدن هستند که با یکدیگر در تماس هستند. کل منطقه تماس ناچیز است. هنگام حرکت یا تلاش برای حرکت اجسام، "قله ها" مقاومت ایجاد می کنند. بزرگی نیروی اصطکاک به مساحت سطوح تماس بستگی ندارد.
به نظر می رسد که دو سطح کاملاً صاف نباید هیچ مقاومتی را تجربه کنند. در عمل نیروی اصطکاک در این حالت حداکثر است. این اختلاف با ماهیت منشأ نیروها توضیح داده می شود. اینها نیروهای الکترومغناطیسی هستند که بین اتم های اجسام برهم کنش عمل می کنند.
فرایندهای مکانیکی که در طبیعت با اصطکاک همراه نیستند غیرممکن است، زیرا توانایی "خاموش"هیچ تعامل الکتریکی بین اجسام باردار وجود ندارد. استقلال نیروهای مقاومت از موقعیت متقابل بدنها به ما این امکان را می دهد که آنها را غیر بالقوه بنامیم.
جالب است که نیروی اصطکاک که فرمول آن بسته به سرعت اجسام برهم کنش تغییر می کند با مجذور سرعت متناظر متناسب است. این نیرو شامل نیروی مقاومت چسبناک در یک سیال است.
حرکت در مایع و گاز
حرکت یک جسم جامد در مایع یا گاز، مایع نزدیک یک سطح جامد با مقاومت چسبناک همراه است. وقوع آن با فعل و انفعال لایه های سیال همراه است که توسط یک جسم جامد در فرآیند حرکت به دام افتاده است. سرعت لایه های مختلف منبع اصطکاک ویسکوز هستند. ویژگی این پدیده عدم وجود اصطکاک استاتیکی سیال است. صرف نظر از بزرگی تأثیر خارجی، بدن در حالی که در مایع است شروع به حرکت می کند.
بسته به سرعت حرکت، نیروی مقاومت با سرعت حرکت، شکل جسم متحرک و ویسکوزیته سیال تعیین می شود. حرکت در آب و روغن یک بدن با مقاومتی با عظمت متفاوت همراه است.
برای سرعت‌های پایین: F=kv، که k ضریب تناسب بسته به ابعاد خطی بدنه و ویژگی‌های محیط است، v سرعت بدنه است.
دمای سیال نیز بر اصطکاک موجود در آن تأثیر می گذارد. در هوای یخبندان، ماشین گرم می شود تا روغن گرم شود (ویسکوزیته آن کاهش می یابد) و به کاهش تخریب قطعات موتور در تماس کمک می کند.
افزایش سرعت حرکت
افزایش قابل توجه سرعت بدن می تواند باعث پیدایش جریان های متلاطم شود، در حالی که مقاومت به طور چشمگیری افزایش می یابد. مقادیر عبارتند از: مربع سرعت حرکت، چگالی محیط و سطح بدن. فرمول نیروی اصطکاک شکل دیگری به خود می گیرد:
F=kv2، که در آن k ضریب تناسب بسته به شکل بدن و ویژگی‌های محیط است، v سرعت جسم است.
اگر بدن روان باشد، تلاطم را می توان کاهش داد. شکل بدن دلفین ها و نهنگ ها نمونه کاملی از قوانین طبیعت است که بر سرعت حیوانات تاثیر می گذارد.
رویکرد انرژی
انجام کار حرکت بدن توسط مقاومت محیط مانع می شود. هنگام استفاده از قانون بقای انرژی، آنها می گویند که تغییر انرژی مکانیکی برابر با کار نیروهای اصطکاک است.
کار نیرو با فرمول محاسبه می شود: A=Fscosα، که در آن F نیرویی است که تحت آن جسم در فاصله s حرکت می کند، α زاویه بین جهت نیرو و جابجایی است.
بدیهی است که نیروی مقاومت مخالف حرکت بدن است، از آنجایی که cosα=-1 است. کار نیروی اصطکاک که فرمول آن Atr=- Fs، مقدار آن منفی است. در این حالت انرژی مکانیکی به انرژی داخلی (تغییر شکل، گرمایش) تبدیل می شود.
