نحوه یافتن ضریب اصطکاک: روشهای تجربی

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

اصطکاک فرآیند فیزیکی است که بدون آن حرکت در جهان ما نمی تواند وجود داشته باشد. در فیزیک برای محاسبه قدر مطلق نیروی اصطکاک، دانستن ضریب خاصی برای سطوح مالشی مورد نظر ضروری است. چگونه ضریب اصطکاک را پیدا کنیم؟ این مقاله به این سوال پاسخ خواهد داد.

اصطکاک در فیزیک

قبل از پاسخ به این سوال که چگونه ضریب اصطکاک را پیدا کنیم، باید در نظر بگیریم که اصطکاک چیست و با چه نیرویی مشخص می شود.

در فیزیک، سه نوع از این فرآیند بین اجسام جامد رخ می دهد. این اصطکاک استراحت، لغزش و غلتش است. اصطکاک همیشه زمانی رخ می دهد که یک نیروی خارجی بخواهد جسمی را به حرکت درآورد. همانطور که از نام آن پیداست، اصطکاک لغزشی زمانی اتفاق می افتد که یک سطح روی سطح دیگر می لغزد. در نهایت، اصطکاک غلتشی زمانی اتفاق می‌افتد که یک جسم گرد (چرخ، توپ) روی سطحی بغلطد.

وجه مشترک همه انواع این واقعیت است که آنها از هر کسی جلوگیری می کنندحرکت و نقطه اعمال نیروهای آنها در ناحیه تماس بین سطوح دو جسم است. همچنین تمام این انواع انرژی مکانیکی را به گرما تبدیل می کنند.

نیروهای لغزش و اصطکاک ایستا ناشی از زبری میکروسکوپی روی سطوحی است که ساییده می شوند. علاوه بر این، این انواع به دلیل دوقطبی-دوقطبی و انواع دیگر برهمکنش‌های بین اتم‌ها و مولکول‌ها هستند که اجسام مالشی را تشکیل می‌دهند.

علت اصطکاک غلتشی مربوط به پسماند تغییر شکل الاستیک است که در نقطه تماس بین جسم نورد و سطح ظاهر می شود.

نیروی اصطکاک و ضریب اصطکاک

هر سه نوع نیروهای اصطکاک جامد با عباراتی توصیف می شوند که شکل یکسانی دارند. اینم او:

F_t=μ_tN.

در اینجا N نیرویی است که عمود بر سطح روی بدن وارد می شود. به آن واکنش حمایتی می گویند. مقدار μ_{t - ضریب نوع اصطکاک مربوطه نامیده می شود.}

ضرایب برای لغزش و اصطکاک استراحت کمیت های بدون بعد هستند. این را می توان با نگاه به برابری نیروی اصطکاک و ضریب اصطکاک درک کرد. سمت چپ معادله با نیوتن و سمت راست نیز با نیوتن بیان می شود، زیرا N یک نیرو است.

در مورد اصطکاک غلتشی، ضریب آن نیز یک مقدار بی بعد خواهد بود، با این حال، به عنوان نسبت مشخصه خطی تغییر شکل الاستیک به شعاع جسم نورد تعریف می شود.

باید گفت که مقادیر معمولی ضرایب لغزش و اصطکاک سکون دهم واحد است. برای اصطکاکنورد، این ضریب مربوط به صدم و هزارم یک واحد است.

چگونه ضریب اصطکاک را پیدا کنیم؟

ضریب μ_{tبه تعدادی از عوامل بستگی دارد که در نظر گرفتن آنها از نظر ریاضی دشوار است. ما تعدادی از آنها را فهرست می کنیم:}

• مواد سطوح مالش؛
• کیفیت سطح؛
• وجود کثیفی، آب و غیره در آن؛
• دمای سطح.

بنابراین، هیچ فرمولی برای μ_t وجود ندارد و باید به صورت تجربی اندازه‌گیری شود. برای درک چگونگی یافتن ضریب اصطکاک، باید از فرمول F_{t بیان شود. ما داریم:}

µ_t =F_t/N.

معلوم می شود که برای دانستن μ_{tلازم است نیروی اصطکاک و واکنش پشتیبانی را پیدا کنید.}

آزمایش مربوطه به شرح زیر انجام می شود:

1. یه بدنه و یک هواپیما مثلاً از چوب بگیرید.
2. دینامومتر را به بدنه بچسبانید و به طور مساوی روی سطح حرکت دهید.

در همان زمان، دینامومتر مقداری نیرو را نشان می دهد که برابر با F_{t است. واکنش زمین برابر با وزن بدن روی یک سطح افقی است.}

روش شرح داده شده به شما امکان می دهد بفهمید ضریب اصطکاک استاتیک و لغزشی چقدر است. به طور مشابه، شما می توانید به طور تجربی μ_{tغلت را تعیین کنید.}

روش آزمایشی دیگر برای تعیین μ_{t به شکل مسئله در پاراگراف بعدی آورده شده است.}

مشکل در محاسبه μt

تیر چوبی روی سطح شیشه است.با کج کردن صاف سطح، متوجه شدیم که لغزش تیر با زاویه شیب 15o شروع می شود. ضریب اصطکاک ایستا برای یک جفت چوب و شیشه چقدر است؟

وقتی پرتو در صفحه شیب 15o قرار داشت، آنگاه نیروی اصطکاک باقیمانده برای آن دارای حداکثر مقدار بود. برابر است با:

F_t=mgsin(α).

نیروی N با فرمول: تعیین می شود

N=mgcos(α).

با استفاده از فرمول μ_{t، دریافت می کنیم:}

µ_t=F_{t/N=mgsin(α)/(mgcos(α))=tg(α).}

با جایگزینی زاویه α، به پاسخ می رسیم: µ_{t=0, 27.}