חיכוך סטטי הוא כוח שחייב להיותלְהִתְגַבֵּרלמשהו שיצא לדרך. לדוגמא, מישהו יכול לדחוף על עצם נייח כמו ספה כבדה מבלי שהוא זז. אבל אם הם לוחצים חזק יותר או נעזרים בחבר חזק, זה יתגבר על כוח החיכוך ויעבור.
בעוד הספה דוממת, ה-כוח החיכוך הסטטי מאזן את כוח הדחיפה המופעל. לָכֵן,כוח החיכוך הסטטי גדל בצורה ליניארית כאשר הכוח המופעל פועל בכיוון ההפוך, עד שהוא מגיע לערך מרבי והאובייקט פשוט מתחיל לנוע. לאחר מכן, האובייקט כבר אינו חווה התנגדות מחיכוך סטטי, אלא מחיכוך קינטי.
החיכוך הסטטי הוא בדרך כלל כוח חיכוך גדול יותר מחיכוך קינטי - קשה יותר להתחיל לדחוף ספה על הרצפה מאשר להמשיך אותה.
מקדם חיכוך סטטי
חיכוך סטטי נובע מאינטראקציות מולקולריות בין האובייקט למשטח עליו הוא נמצא. לפיכך, משטחים שונים מספקים כמויות שונות של חיכוך סטטי.
מקדם החיכוך המתאר הבדל זה בחיכוך סטטי למשטחים שונים הואμס.ניתן למצוא אותו בטבלה, כמו זו המקושרת למאמר זה, או לחשב אותה בניסוי.
משוואה לחיכוך סטטי
איפה:
- Fס= כוח החיכוך הסטטי בניוטונים (N)
- μס = מקדם חיכוך סטטי (ללא יחידות)
- Fנ = כוח נורמלי בין המשטחים בניוטונים (N)
חיכוך סטטי מרבי מושג כאשר חוסר השוויון הופך לשוויון, בשלב זה כוח חיכוך אחר משתלט כאשר האובייקט מתחיל לנוע. (לכוח החיכוך הקינטי, או להחליק, יש מקדם שונה הנקרא מקדם החיכוך הקינטי ומסומן
דוגמה לחישוב עם חיכוך סטטי
ילד מנסה לדחוף ארגז גומי של 10 ק"ג בצורה אופקית לאורך רצפת גומי. מקדם החיכוך הסטטי הוא 1.16. מהו הכוח המרבי שהילד יכול להשתמש בולְלֹאהתיבה בכלל זזה?
[הכנס דיאגרמת גוף חופשית המציגה את הכוחות המופעלים, החיכוך, הכבידה והנורמלים על תיבת הדומם]
ראשית, שים לב שכוח הרשת הוא 0 ומצא את הכוח הרגיל של המשטח על הקופסה. מכיוון שהתיבה לא זזה, כוח זה חייב להיות שווה בעוצמתו לכוח המשיכה הפועל בכיוון ההפוך. נזכיר את זהFז = מ"גאיפהFזהוא כוח הכבידה,Mהוא המסה של האובייקט וזהיא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה על כדור הארץ.
כך:
F_N = F_g = 10 \ פעמים 9.8 = 98 \ טקסט {N}
ואז, פתר את Fס עם המשוואה לעיל:
F_s = \ mu_s \ times F_N = 1.16 \ times 98 = 113.68 \ text {N}
זהו כוח החיכוך הסטטי המרבי שיתנגד לתנועת התיבה. לכן זו גם כמות הכוח המקסימלית שהילד יכול להפעיל מבלי שהתיבה זזה.
שים לב, כל עוד הילד מפעיל כוח כלשהופחות מהערך המרבי של חיכוך סטטי, התיבה עדיין לא זזה!
חיכוך סטטי במישורים נוטים
חיכוך סטטי לא מתנגד רק לכוחות המופעלים. זה מונע מחפצים מלהחליק במורד גבעות או משטחים נטויים אחרים, ומתנגד למשיכת כוח הכבידה.
בזווית, אותה משוואה חלה, אך יש צורך בטריגונומטריה כדי לפתור את וקטורי הכוח למרכיביהם האופקיים והאנכיים.
שקול ספר של 2 ק"ג המונח על מישור נוטה 20 מעלות. כדי שהספר יישאר דומם,יש לאזן כוחות מקבילים למישור הנטוי. כפי שמראה התרשים, כוח החיכוך הסטטי מקביל למישור בכיוון כלפי מעלה; הכוח המנוגד כלפי מטה הוא מכוח המשיכה - אולם במקרה זה,רק המרכיב האופקי של כוח הכבידההוא איזון בין חיכוך סטטי.
על ידי ציור משולש ימני מכוח הכובד על מנת לפתור את מרכיביו, ועשיית a גיאומטריה קטנה כדי לגלות שהזווית במשולש זה שווה לזווית השיפוע של המישור, המרכיב אופקי של כוח הכבידה(הרכיב המקביל למישור) הוא אז:
F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ times 9.8 \ times \ sin {20} = 6.7 \ text {N}
זה חייב להיות שווה לכוח החיכוך הסטטי שמחזיק את הספר במקום.
ערך נוסף שאפשר למצוא בניתוח זה הוא מקדם החיכוך הסטטי. הכוח הרגיל הואאֲנָכִיאל פני השטח שעליו נשען הספר. אז הכוח הזה חייב להיותמאוזן עם הרכיב האנכיכוח הכבידה:
F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ פעמים 9.8 \ times \ cos {20} = 18.4 \ text {N}
ואז, סידור מחדש של המשוואה לחיכוך סטטי:
\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6.7} {18.4} = 0.364