חיכוכים נמצאים סביבנו בעולם האמיתי. כששני משטחים מתקשרים זה לזה או דוחפים זה את זה בצורה כלשהי, אנרגיה מכנית כלשהי מומרת לצורות אחרות, מה שמפחית כמה אנרגיה נשארה לתנועה.
בעוד שמשטחים חלקים נוטים לחוות פחות חיכוך מאשר משטחים מחוספסים, רק בוואקום שבו זה לא משנה קיים סביבה אמיתית ללא חיכוך, אם כי ספרי לימוד בפיזיקה בתיכונים מתייחסים לעתים קרובות למצבים כאלה כדי לפשט אותם חישובים.
חיכוך בדרך כלל מעכב תנועה. שקול רכבת המתגלגלת במסילה, או גוש המחליק על הרצפה. בעולם ללא חיכוך, אובייקטים אלה ימשיכו בתנועתם ללא הגבלת זמן. חיכוך גורם להם להאט ולהפסיק בסופו של דבר בהיעדר כוחות מיושמים אחרים.
לוויינים בחלל מסוגלים לשמור על מסלוליהם עם מעט אנרגיה נוספת בגלל הוואקום המושלם כמעט של החלל. לווייני מסלול תחתון, לעומת זאת, נתקלים לעיתים קרובות בכוחות חיכוך בצורת עמידות באוויר ודורשים חידוש מחדש תקופתי בכדי לשמור על מסלולם.
הגדרת חיכוך
ברמה המיקרוסקופית, חיכוך מתרחש כאשר מולקולות של משטח אחד מתקשרות עם מולקולות ממשטח אחר כאשר משטחים אלה נמצאים במגע ודוחפים זה את זה. התוצאה היא התנגדות כאשר אובייקט כזה מנסה לנוע תוך שמירה על קשר עם האובייקט השני. אנו מכנים התנגדות זו כוח החיכוך. כמו כוחות אחרים, מדובר בכמות וקטורית הנמדדת בניוטונים.
מכיוון שכוח החיכוך נובע מאינטראקציה של שני עצמים, קביעת הכיוון עליו הוא יפעל אובייקט נתון - ומכאן הכיוון לשרטט אותו בתרשים של גוף חופשי - דורש להבין זאת אינטראקציה. החוק השלישי של ניוטון אומר לנו שאם אובייקט A מפעיל כוח על האובייקט B, אז האובייקט B מפעיל כוח שווה בעוצמתו אך בכיוון ההפוך חזרה על האובייקט A.
כך שאם אובייקט A דוחף כנגד עצם B באותו כיוון שאובייקט A נע, כוח החיכוך יפעל בניגוד לכיוון תנועת האובייקט A. (זה בדרך כלל המקרה עם חיכוך הזזה, הנדון בפרק הבא.) אם, לעומת זאת, אובייקט A דוחף על האובייקט. B בכיוון שמנוגד לכיוון התנועה שלו, ואז כוח החיכוך יהיה בסופו של דבר באותו כיוון כמו תנועת האובייקט A. (זה לעתים קרובות במקרה של חיכוך סטטי, שעליו נדון גם בסעיף הבא).
גודל כוח החיכוך עומד לרוב ביחס ישר לכוח הרגיל, או לכוח הלוחץ על שני המשטחים זה בזה. קבוע המידתיות משתנה בהתאם למשטחים הנמצאים במגע. לדוגמא, אתה עשוי לצפות לחיכוך קטן יותר כאשר שני משטחים "חלקים" - כמו גוש קרח על אגם קפוא - נמצאים במגע, וחיכוך גדול יותר כששני משטחים "מחוספסים" נמצאים במגע.
כוח החיכוך בדרך כלל אינו תלוי בשטח המגע בין האובייקטים לקרוב המשפחה מהירויות של שני המשטחים (למעט במקרה של התנגדות אוויר, שאינה מתייחסת לכך מאמר.)
סוגי חיכוך
ישנם שני סוגים עיקריים של חיכוך: חיכוך קינטי וחיכוך סטטי. אולי שמעתם גם על משהו שנקרא חיכוך מתגלגל, אך כפי שנדון בהמשך פרק זה, זו באמת תופעה אחרת.
כוח חיכוך קינטי, המכונה גם חיכוך הזזה, הוא התנגדות הנובעת מאינטראקציות בין פני השטח בזמן שאובייקט אחד מחליק על אחר, כמו למשל כאשר תיבה נדחקת לרצפה. חיכוך קינטי פועל בניגוד לכיוון התנועה. הסיבה לכך היא שהאובייקט הזזה דוחף את המשטח באותו כיוון שהוא מחליק, ולכן המשטח מפעיל כוח חיכוך בחזרה על האובייקט בכיוון ההפוך.
חיכוך סטטיהוא כוח חיכוך בין שני משטחים שדוחפים זה את זה, אך לא מחליקים זה מזה. במקרה של קופסה שנדחפת לאורך הרצפה, לפני שהקופסה מתחילה להחליק, על האדם לדחוף עליה בכוח הולך וגובר, ובסופו של דבר ללחוץ מספיק חזק כדי להניע אותה. בעוד שכוח הדחיפה גדל מ 0, כוח החיכוך הסטטי גדל גם כן, כנגד דוחף כוח עד שהאדם מפעיל כוח מספיק גדול כדי להתגבר על החיכוך הסטטי המרבי כּוֹחַ. בשלב זה, התיבה מתחילה להחליק, והחיכוך הקינטי משתלט.
כוחות חיכוך סטטיים, לעומת זאת, מאפשרים גם סוגים מסוימים של תנועה. שקול מה קורה כשאתה חוצה את הרצפה. כשאתה עושה צעד, אתה דוחף אחורה על הרצפה עם כף הרגל שלך, והרצפה, בתורם, דוחפת אותך קדימה. זה חיכוך סטטי בין כף הרגל שלך לרצפה שגורם לזה לקרות, ובמקרה זה כוח החיכוך הסטטי בסופו של דבר נמצא בכיוון התנועה שלך. ללא חיכוך סטטי, כשאתה דוחף לאחור לרצפה, כף הרגל שלך פשוט הייתה גולשת והיית הולך במקום!
התנגדות גלגולנקרא לפעמים חיכוך מתגלגל, אם כי זהו שם שגוי שכן הוא אובדן אנרגיה עקב עיוות של המשטחים במגע כאשר אובייקט מתגלגל, בניגוד לתוצאה של משטחים שמנסים להחליק כנגד כל אחד מהם אַחֵר. זה דומה לאנרגיה שאבדה כשכדור קופץ. התנגדות גלגול היא בדרך כלל קטנה מאוד בהשוואה לחיכוך סטטי וקינטי. למעשה, לעתים נדירות מתייחסים אליו כלל ברוב הטקסטים לפיזיקה במכללות ובתיכונים.
אין לבלבל בין התנגדות גלגול לבין השפעות חיכוך סטטיות וקינטיות על עצם מתגלגל. צמיג, למשל, עשוי לחוות חיכוך מחליק על הציר כשהוא מסתובב, והוא גם חווה חיכוך סטטי, השומר על הצמיג מחליק כשהוא מתגלגל (החיכוך הסטטי במקרה זה, בדיוק כמו אצל האדם ההולך, בסופו של דבר פועל לכיוון תְנוּעָה.)
משוואת חיכוך
כאמור, גודל כוח החיכוך הוא ביחס ישר לגודל הכוח הרגיל, וקבוע המידתיות תלוי במשטחים המדוברים. נזכיר כי הכוח הרגיל הוא הכוח הניצב לפני השטח, אשר נוגד את כל הכוחות האחרים המופעלים בכיוון זה.
קבוע המידתיות הוא כמות ללא יחידה הנקראתמקדם חיכוך, המשתנה עם חספוס המשטחים המדובר, ומיוצג בדרך כלל על ידי האות היווניתμ.
F_f = \ mu F_N
טיפים
משוואה זו מתייחסת רק לגודל החיכוך ולכוחות הנורמליים. הם לא מצביעים לאותו כיוון!
שים לב ש- μ אינו זהה לחיכוך סטטי וקינטי. המקדם כולל לעתים קרובות כתב משנה, עםμkהכוונה למקדם החיכוך הקינטי וμסהכוונה למקדם החיכוך הסטטי. ניתן לחפש את ערכי המקדמים הללו עבור חומרים שונים בטבלת התייחסות. מקדמי חיכוך עבור כמה משטחים נפוצים מפורטים בטבלה הבאה.
| מערכת | חיכוך סטטי (μs) | חיכוך קינטי (μk) |
|---|---|---|
גומי על בטון יבש |
1 |
0.7 |
גומי על בטון רטוב |
0.7 |
0.5 |
עץ על עץ |
0.5 |
0.3 |
עץ שעווה על שלג רטוב |
0.14 |
0.1 |
מתכת על עץ |
0.5 |
0.3 |
פלדה על פלדה (יבשה) |
0.6 |
0.3 |
פלדה על פלדה (משומנת) |
0.05 |
0.03 |
טפלון על פלדה |
0.04 |
0.04 |
עצם משומנת על ידי נוזל סינוביאלי |
0.016 |
0.015 |
נעליים על עץ |
0.9 |
0.7 |
נעליים על קרח |
0.1 |
0.05 |
קרח על קרח |
0.1 |
0.03 |
פלדה על קרח |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
ערכים של μ להתנגדות גלגול הם לעתים קרובות פחות מ 0.01, ובאופן משמעותי, מכאן שאתה יכול לראות כי בהשוואה, התנגדות גלגול היא לרוב זניחה.
כאשר עובדים עם חיכוך סטטי, נוסחת הכוח נכתבת לעתים קרובות כדלקמן:
F_f \ leq \ mu_s F_N
כאשר אי השוויון מייצג את העובדה שכוח החיכוך הסטטי לעולם לא יכול להיות גדול יותר מהכוחות המתנגדים לו. לדוגמא, אם אתה מנסה לדחוף כיסא על הרצפה, לפני שהכיסא מתחיל להחליק, חיכוך סטטי יפעל. אך ערכו ישתנה. אם אתה מחיל 0.5 N על הכיסא, הכיסא יחווה 0.5 N של חיכוך סטטי כדי לנטרל את זה. אם אתה דוחף עם 1.0 N, אז החיכוך הסטטי הופך ל 1.0 N, וכן הלאה עד שאתה דוחף עם יותר מהערך המרבי של כוח החיכוך הסטטי והכיסא מתחיל להחליק.
דוגמאות לחיכוך
דוגמה 1:איזה כוח יש להפעיל על גוש מתכת של 50 ק"ג כדי לדחוף אותו על רצפת עץ במהירות קבועה?
פִּתָרוֹן:ראשית, אנו משרטטים את תרשים הגוף החופשי על מנת לזהות את כל הכוחות הפועלים על הבלוק. יש לנו את כוח הכבידה הפועל ישר כלפי מטה, את הכוח הרגיל הפועל למעלה, את הכוח הדוחף הפועל ימינה, ואת כוח החיכוך הפועל שמאלה. מכיוון שהגוש נועד לנוע במהירות קבועה, אנו יודעים שכל הכוחות חייבים להוסיף ל -0.
משוואות הכוח נטו עבור מערך זה הן כדלקמן:
F_ {netx} = F_ {push} - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g = 0
מהמשוואה השנייה, אנו מקבלים את זה:
F_N = F_g = mg = 50 \ פעמים 9.8 = 490 \ טקסט {N}
שימוש בתוצאה זו במשוואה הראשונה ופתרון לכוח הדחיפה הלא ידוע, אנו מקבלים:
F_ {push} = F_f = \ mu_kF_N = 0.3 \ פעמים 490 = 147 \ טקסט {N}
דוגמה 2:מהי זווית השיפוע המקסימלית שיכולה להיות לרמפה לפני שתיבת 10 ק"ג המונחת עליה מתחילה להחליק? עם איזו תאוצה היא תחליק בזווית זו? לְהַנִיחַμסהוא 0.3 ו-μkהוא 0.2.
פִּתָרוֹן:שוב, אנו מתחילים בתרשים של גוף חופשי. כוח הכבידה פועל ישר מטה, הכוח הרגיל פועל בניצב לשיפוע וכוח החיכוך פועל במעלה הרמפה.
•••דנה חן | מדע
בחלק הראשון של הבעיה אנו יודעים שכוח הרשת חייב להיות 0 וכוח החיכוך הסטטי המרבי הואμסFנ.
בחר מערכת קואורדינטות מיושרת עם הרמפה כך שמטה הרמפה הוא ציר ה- x החיובי. ואז לפרק כל כוח לאיקס-וy-רכיבים, וכתוב את משוואות הכוח נטו:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
הבא, תחליףμסFנ לחיכוך ולפתור עבורFנבמשוואה השנייה:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0 \ מרמז על F_N = F_g \ cos (\ theta)
חבר את הנוסחה עבורFנלמשוואה הראשונה ולפתור עבורθ:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_s F_g \ cos (\ theta) = 0 \\ \ מרמז על F_g \ sin (\ theta) = \ mu_sF_g \ cos (\ theta) \\ \ מרמז \ frac {\ sin (\ theta)} {\ cos (\ theta)} = \ mu_s \\ \ implicit \ tan (\ theta) = \ mu_s \\ \ implicit \ theta = \ tan ^ {- 1} (\ mu_s)
חיבור הערך 0.3 עבורμס נותן את התוצאהθ= 16.7 מעלות.
החלק השני של השאלה עושה כעת שימוש בחיכוך קינטי. דיאגרמת הגוף החופשי שלנו זהה למעשה. ההבדל היחיד הוא שעכשיו אנו יודעים את זווית השיפוע, וכוח הרשת אינו 0 באיקסכיוון. אז משוואות הכוח הנקי שלנו הופכות להיות:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = ma \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
אנו יכולים לפתור את הכוח הרגיל במשוואה השנייה, בדיוק כמו קודם, ולחבר אותו למשוואה הראשונה. עושה את זה ואז פותר עבוראנותן:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_k F_g \ cos (\ theta) = ma \\ = \ ביטול {m} g \ sin (\ theta) - \ mu_k \ ביטול {m} g \ cos (\ theta) = \ בטל {m} a \\ \ מרמז a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta)
עכשיו זה עניין פשוט לחבר מספרים. התוצאה הסופית היא:
a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta) = 9.8 \ sin (16.7) - 0.2 \ times 9.8 \ cos (16.7) = 0.94 \ text {m / s} ^ 2