نیروی اصطکاک چیست؟ + انواع اصطکاک

درباره نیروی اصطکاک چه میدانید؟

نیروی اصطکاک در تاثیر ساییده شدن یا مالش 2 جسم به یکدیگر پدید می‌آید و همواره سبب کاهش سرعت تکان می‌شود.

در اغلب مواقع هنگام ساخت و استفاده ماشین آلات صنعتی و… سعی می‌شود که نیروی اصطکاک کاهش یابد اما بدون وجود آن بسیاری کارها از جمله راه رفتن، گرفتن و برداشتن اشیاء یا حتی نگه‌داشتن قلم و نوشتن نیز تقریبا غیر ممکن به نظر می‌رسند.

نیروی اصطکاک چیست؟

نیروی اصطکاک یا مالش، 1 نیروی مقاومتی در خلاف سمت تکان اجسام است. به همین دلیل برای ایجاد لغزش یا ابتدا تکان باید نیرویی بیشتر از نیروی اصطکاک به جسم داخل کنیم. جالب است بدانید نیرویی که برای به تکان درآوردن 1 جسم مستقر نیاز است بیشتر از نیرویی‌ست که برای 1 جسم درحال تکان یکنواخت و بدون سرعت نیاز داریم. طبق قانون اول نیوتن دلیل این اتفاق میل‌کردن جسم اهل به باقی ماندن در آن وضعیت است.

نیروی اصطکاک تاثیر بسیاری بر محیط،‌ صنایع و زندگی ما دارد. این نیرو سبب می‌شود که ما به آسودگی راه برویم و سر نخوریم،‌ ماشین‌ها توقف کنند، سرعت وزش باد کمتر شود،‌ وسایل را به آسودگی برداریم و… اما معایبی نیز دارد که از جمله آن می‌توان به فرسایش و ویران‌شدن اشیاء در معرض نیروی اصطکاک.

به همین دلیل در برخی صنایع مشابه ساخت ماشین آلات‌ صنعتی،‌ خودروسازی و… این نیرو را کاهش می‌دهند تا سبب سلامت عملکرد شوند. همچنین هرگاه بخواهیم سرعت جسمی را کاهش دهیم یا آنرا ایستاده کنیم باید نیروی اصطکاک را افزایش دهیم. برای مشابه ساختار ترمزها بر همین اساس می‌باشد و سمت بیشتر کردن اصطکاک به کار می‌روند.

انواع اصطکاک

نیروی اصطکاک به 4 نوع مختلف تقسیم می‌شود:

• نیروی اصطکاک ایستایی

این نیرو به اجسامی که در 1 سطح افقی اهل هستند داخل می‌شود. وقتی 1 جسم درحال سکون باقی می‌ماند یعنی برآیند کل نیروهای داخل به آن مساوی صفر است.

• نیروی اصطکاک جنبشی

هنگامی که 1 جسم جامد را روی 1 جسم جامد دیگر به تکان در می‌اوریم، نیروی اصطکاک جنبشی بوجود می‌آید. این نیرو به صورت موازی با سطح ارتباط توسط هر جسم بر دیگری داخل می‌شود و در خلاف سمت تکان آنهاست.

• اصطکاک خشک

وقتی میان 2 جسم از ماده دیگری مشابه روغن، آب و… استفاده نشود به آن اصطکاک خشک می‌گویند.

• اصطکاک تر

در این نوع اصطکاک از ماده‌ی دیگری برای کاهش اصطکاک استفاده می‌شود. برای مشابه استفاده از روغن در لولای در یا بلبرینگ‌ها و…

اندازه گیری نیروی اصطکاک

اندازه نیروی اصطکاک جنبشی به جنس، سطح و اندازه نیروی عمودی آنها وابسته است. بدین ترتیب برای اندازه‌گیری این نیرو به ضریب اصطکاک جنبشی که به جنس 2 سطح درتماس وابسته است و با نماد μ_k نشان داده می‌شود نیاز داریم. برای بدست آوردن نیروی اصطکاک می‌توانیم از 2 فرمول استفاده کنیم.

فرمول اول:

F_k= μ_k F_n

فرمول دوم:

μ_k=  F_k/F_n

در این فرمول‌ها Fn مقدار نیروی عمودی بین 2 سطح می‌باشد و Fk برای توضیح میزان نیروی اصطکاک بین 2 جسم استفاده می‌شود.

هنگامی که 1 جسم در حالت سکون قرار دارد، با افزایش نیرو سمت جابه‌جایی، نیروی عمودی داخل بر آن نیز افزایش می‌یابد. البته با افزایش پیوسته نیرو بالاخره جسم ابتدا به تکان می‌کند. بیشترین نیروی اصطکاک ایستایی ممکن بین 2 سطح با فرمول زیر بدست می‌آید و برای به تکان درآوردن اجسام تنها کمی نیروی بیشتر از آن نیاز داریم.

F_(s max )= μ_s F_n

برای درک بهتر این مطلب مشابه‌ زیر را بخوانید:

مسئله: خصوصی میخواهد میزی با جرم ۱۱۰ کیلوگرم را هل دهد و به سمت دیگر منزل‌اش منتقل کند. ضریب استکاک ایستایی بین میز و سطح مساوی با ۰.۶ و ضرییب اصطکاک جنبشی ۰.۴ است و شخص در 2 حالت زیر به آن نیرو داخل می‌کند:

F=500N 2) F=800N

در هر 1 از حالات فوق،‌ نیروی اصطکاک بین سطح و میز را بدست آورید.

پاسخ: در ابتدا برای بدست آوردن جواب ابتدا باید ماکزیمم نیروی اصطکاک ایستایی را که با فرمول  F_(s max )= μ_s F_n نمایش داده شد پیدا کنیم. طبق مبحث تساوی نیرو نیز، نیروی عموی داخل شده به جسم نیز مساوی وزن آن است. بنابرین نیروی اصطکاک ایستایی ماکزیمم آن مساوی است با:

F_(s max )= (μ_s )(mg)

F_(s max )= (0.60)(110kg)(9.8 m/s^2 )

F_(s max )=647N

بدین ترتیب اگر نیروی داخل بر جسم ۵۰۰ نیوتن باشد، میزان اصطکاک ایستایی آن نیز ۵۰۰ نیوتن است و اهل می‌ماند. اما وقتی بیشتر از ۶۴۷ نیوتن باشد تکان  می‌کند و داخل کردن ۸۰۰ نیوتن که از ماکزیمم اصطکاک ایستایی بیشتر است سبب تکان و دگرگونی اصطکاک به جنبشی است که برای حساب‌کردن آن طبق روش زیر عمل می‌کنیم:

F_k= μ_k F_n

F_k  = (0.40)(110kg)(9.8 m/s^2 )

F_k=431

کم و زیاد کردن اصطکاک

همانطور که گفته شد نیروی اصطکاک تاثیر زیادی بر روی زندگی انسان‌ها دارد اما مهم‌ترین عامل طریقه کنترل و استفاده درست از آن در حد توانایی‌ها می‌باشد. در ساخت تجهیزات مکانیکی، پیست اسکی، سرسره‌ها، لولاهای در و پنجره، باز و بستن کشوها و بسیاری موارد دیگر باید به نیروی اصطکاک غلبه کرده و آنرا کاهش دهیم زیرا این نیرو سبب پوسیدگی،‌ ایجاد گرما، سروصدا، کاهش سرعت و… می‌شود و در آن بخش مفید واقع نمی‌شود. بدین قصد می‌توان از روش‌هایی مشابه گریس کاری، روغن کاری، استفاده از بلبرینگ، چرخ، غلتک، ساچمه، صاف کردن سطوح، تیز کردن نوک اجسام و تخت هوا اصطکاک را کاهش داد.

افزایش نیروی اصطکاک نیز در سمت کاهش سرعت و توقف به وسیله ترمزها در وسایل نقلیه یا آسانسورها، روشن کردن کبریت یا فندک‌های چخماقی، پیشگیری از سر خوردن ماشین در سطوح یخ زده به وسیله شن و ماسه یا نمک، کوهنوردی، نوشتن با قلم، بستن بند کفش و بسیاری موارد دیگر انجام می‌شود.

نیروی اصطکاک میان 2 جسم به عوامل مختلفی از جمله سطح ارتباط، زبر یا صیقلی بودن آنها، نیروی داخل شده بستگی دارد. برای مشابه اگر 1 جعبه که کف صاف دارد را روی موزائیک بگذارید و هل دهید، به دلیل صاف بودن زیاد هر 2 جسم و بالا بودن سطح ارتباط آنها اصطکاک کمی زیاد است. حال اگر چندین نی به صورت موازی روی سطح بچینید و 2 نی نیز در راستای طول جعبه به کف آن بچسبانید متوجه می‌شوید که سر دادن آنها روی یکدیگر بینهایت آسان‌تر است.

از جمله موارد دیگری که می‌توان به آنها اشاره کرد، اصطکاک 2 آجر روی یکدیگر است که بینهایت زیاد است و به سختی روی هم می‌لغزند. حال اگر به جای یکی از آجرها شیشه که سطحی صاف و صیقلی دارد بگذاریم اصطکاک آنها به تندی کاهش می‌یابد و آجر آسوده‌تر روی شیشه سر می‌خورد.

همچنین وقتی سطح هر 2 جسم خیلی صاف و صیقلی باشند، برای مشابه 2 شیشه‌ی تخت روی یکدیگر با نزدیک شدن مولکول‌هایشان بهم  با نزدیک شدن مولکول‌های هردو جسم و قرار گرفتن در دوری پیوندی با ایجاد نیروی چسبندگی سطحی سبب ایجاد اصطکاک می‌شوند. به این پدیده که جوش سرد نیز گفته می‌شود نوعی ایجاد پیوندی بینهایت زورمند میان 2 جسم جامد است که نیازی به حرارت یا ذوب کردن ندارد. هنگامی که سطح کاملا صاف و بدون پوشش یا آلودگی از اجسام مشابه در خلا نزدیک هم شوند، جوش سرد اتفاق می‌افتد و در ساخت وسایل در ابعاد نانو پر کاربرد می‌باشد. در صورت مشابه بودن اتم‌های دوجسم و نبودن پوشش (مشابه چربی، اکسید و..) میان آنها، اتم ها هیچ‌راهی برای فهمیدن اینکه در 2 تکه گوناگون هستند ندارند و این پدیده بوجود می‌آید.

مرجع