معظم الأشياء ليست سلسة حقًا كما تعتقد. على المستوى المجهري ، حتى الأسطح الملساء على ما يبدو هي في الحقيقة منظر طبيعي للتلال والوديان الصغيرة ، صغيرة جدًا لنرى حقًا ولكن تحدث فرقًا كبيرًا عندما يتعلق الأمر بحساب الحركة النسبية بين اتصالين الأسطح.
تتشابك هذه العيوب الصغيرة في الأسطح ، مما يؤدي إلى قوة الاحتكاك التي تعمل فيها الاتجاه المعاكس لأي حركة ويجب حسابه لتحديد القوة الكلية على الجسم.
هناك عدة أنواع مختلفة من الاحتكاك ، لكنالاحتكاك الحركييُعرف باسمانزلاق الاحتكاك، في حينالاحتكاك الساكنيؤثر على الكائنقبليبدأ في التحرك والاحتكاك المتداولتتعلق على وجه التحديد بالأشياء المتدحرجة مثل العجلات.
تعلم ما يعنيه الاحتكاك الحركي ، وكيفية إيجاد معامل الاحتكاك المناسب وكيفية ذلك حساب يخبرك بكل ما تحتاج إلى معرفته لمعالجة مشاكل الفيزياء التي تنطوي على قوة احتكاك.
تعريف الاحتكاك الحركي
تعريف الاحتكاك الحركي الأكثر وضوحًا هو: مقاومة الحركة الناتجة عن التلامس بين السطح والجسم الذي يتحرك عكسه. تعمل قوة الاحتكاك الحركي علىيعارضحركة الجسم ، لذلك إذا دفعت شيئًا ما للأمام ، فإن الاحتكاك يدفعه للخلف.
تنطبق قوة الخيال الحركي فقط على جسم متحرك (ومن ثم "حركي") ، ويُعرف أيضًا باسم الاحتكاك المنزلق. هذه هي القوة التي تعارض حركة الانزلاق (دفع صندوق عبر ألواح الأرضية) ، وهناك محددة
معاملات الاحتكاكلهذا وأنواع أخرى من الاحتكاك (مثل الاحتكاك المتداول).النوع الرئيسي الآخر من الاحتكاك بين المواد الصلبة هو الاحتكاك الساكن ، وهذه هي مقاومة الحركة الناتجة عن الاحتكاك بينما يزالكائن وسطح. المعامل الاحتكاك الساكنأكبر بشكل عام من معامل الاحتكاك الحركي ، مما يشير إلى أن قوة الاحتكاك أضعف للأشياء التي تتحرك بالفعل.
معادلة الاحتكاك الحركي
من الأفضل تحديد قوة الاحتكاك باستخدام المعادلة. تعتمد قوة الاحتكاك على معامل الاحتكاك لنوع الاحتكاك قيد النظر وحجم القوة العمودية التي يبذلها السطح على الجسم. بالنسبة للاحتكاك المنزلق ، تعطى قوة الاحتكاك بواسطة:
F_k = μ_k F_n
أينFك هي قوة الاحتكاك الحركي ،μك هو معامل الاحتكاك الانزلاقي (أو الاحتكاك الحركي) وFن هي القوة العادية ، مساوية لوزن الجسم إذا كانت المشكلة تتعلق بسطح أفقي ولا توجد قوى عمودية أخرى تعمل (على سبيل المثال ،Fن = ملغ، أينمهي كتلة الجسم وزهي التسارع بسبب الجاذبية). بما أن الاحتكاك قوة ، فإن وحدة قوة الاحتكاك هي النيوتن (N). معامل الاحتكاك الحركي غير موحد.
معادلة الاحتكاك الساكن هي نفسها بشكل أساسي ، باستثناء أن معامل الاحتكاك الانزلاقي يتم استبداله بمعامل الاحتكاك الساكن (μس). من الأفضل اعتبار هذه القيمة القصوى حقًا لأنها تزيد إلى نقطة معينة ، ثم إذا قمت بتطبيق المزيد من القوة على الجسم ، فسيبدأ في التحرك:
F_s \ leq μ_s F_n
الحسابات مع الاحتكاك الحركي
يعتبر حساب قوة الاحتكاك الحركي أمرًا مباشرًا على سطح أفقي ، ولكنه أكثر صعوبة على سطح مائل. على سبيل المثال ، خذ كتلة زجاجية بكتلةم= 2 كجم ، يتم دفعها عبر سطح زجاجي أفقي ،𝜇ك = 0.4. يمكنك حساب قوة الاحتكاك الحركي بسهولة باستخدام العلاقةFن = ملغمع ملاحظة ذلكز= 9.81 م / ث2:
\ ابدأ {محاذاة} F_k & = μ_k F_n \\ & = μ_k mg \\ & = 0.4 × 2 \؛ \ text {kg} × 9.81 \؛ \ text {m / s} ^ 2 \\ & = 7.85 \؛ \ نص {N} \ نهاية {محاذاة}
تخيل الآن نفس الموقف ، باستثناء أن السطح يميل بمقدار 20 درجة على الأفقي. القوة الطبيعية تعتمد على مكونوزنمن الكائن الموجه عموديًا على السطح ، والذي يتم تقديمه بواسطةملغكوس (θ)، أينθهي زاوية المنحدر. لاحظ أنملغالخطيئة (θ) يخبرك بقوة الجاذبية التي تسحبه إلى أسفل المنحدر.
مع حركة الكتلة ، هذا يعطي:
\ ابدأ {محاذاة} F_k & = μ_k F_n \\ & = μ_k mg \؛ \ cos (θ) \\ & = 0.4 × 2 \ ؛ \ نص {kg} × 9.81 \ ؛ \ text {m / s} ^ 2 × \ cos (20 °) \\ & = 7.37 \ ؛ \ text {N } \ end {align}
يمكنك أيضًا حساب معامل الاحتكاك الساكن بتجربة بسيطة. تخيل أنك تحاول البدء في دفع أو سحب كتلة من الخشب تزن 5 كجم عبر الخرسانة. إذا قمت بتسجيل القوة المطبقة في اللحظة التي يبدأ فيها الصندوق بالتحرك ، يمكنك إعادة ترتيب معادلة الاحتكاك الساكن للعثور على معامل الاحتكاك المناسب للخشب والحجر. إذا استلزم الأمر 30 نيوتن من القوة لتحريك الكتلة ، فسيكون الحد الأقصى لـFس = 30 نيوتن ، إذًا:
F_s = μ_s F_n
يعيد الترتيب لـ:
\ start {align} μ_s & = \ frac {F_s} {F_n} \\ & = \ frac {F_s} {mg} \\ & = \ frac {30 \؛ \ text {N}} {5 \؛ \ text {kg} × 9.81 \؛ \ text {m / s} ^ 2} \\ & = \ frac {30 \؛ \ text {N}} {49.05 \؛ \ text {N}} \\ & = 0.61 \ end {محاذاة}
إذن ، المعامل حوالي 0.61.