ما هو الاحتكاك – Friction؟
عندما تريد تحريك صندوق على أرضية غرفتك، لذلك تدفعه بقوة ثمّ تتركه، تتوقع أن تستمر في السير طوال الطريق إلى الجانب الآخر من الغرفة لأنّك تعلم أنّه بمجرد أن يتحرك جسم ما، فإنّه سيستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة حتى يتأثر بقوة أخرى، في بعبارة أخرى، “قانون نيوتن الأول للحركة”.
ومع ذلك، هذا ليس ما حدث! بمجرد أن تتركه، تباطأ الصندوق وتوقف، هل هذا يعني أنّ قانون نيوتن الأول ليس صحيحًا؟ لا، هذا يعني فقط أنّ هناك قوة أخرى غير مرئية تعمل على الصندوق، وهي قوة احتكاك، تؤدي إلى إبطائه وتؤدي في النهاية إلى توقفه، هناك أنواع أخرى من الاحتكاك أيضًا، مثل احتكاك السوائل والاحتكاك المتدحرج، ولكن هنا سنتحدث بشكل أساسي عن قوة الاحتكاك بين سطحين صلبين يحاولان الانزلاق على بعضهما البعض، وهي قوة تسمّى الاحتكاك الانزلاقي (sliding friction)، هناك خمسة قوانين تساعدك على فهم وحساب قوى الاحتكاك المنزلقة.
ما هي قوانين الاحتكاك؟
هناك خمسة قوانين للاحتكاك وهي:
- احتكاك الجسم المتحرك متناسب وعمودي مع القوة العمودية.
- يعتمد الاحتكاك الذي يعاني منه الجسم على طبيعة السطح الذي يتلامس معه.
- الاحتكاك مستقل عن منطقة التلامس طالما أنّ هناك منطقة تماس.
- الاحتكاك الحركي مستقل عن السرعة.
- معامل الاحتكاك الساكن أكبر من معامل الاحتكاك الحركي.
شرح قوانين الاحتكاك:
ينص “قانون الاحتكاك الأول” على أنّ مقدار الاحتكاك يتناسب مع القوة الطبيعية التي تمارس بين الأسطح، ما هي بالضبط القوة الطبيعية؟ القوة العادية (N) هي قوة دعم يتم إجراؤها على الجسم من خلال السطح الذي يجلس عليه، إنّها القوة التي تمنعك من السقوط من خلال مقعدك عندما تجلس، يمكن أن تتغير القوة العادية بناءً على وزن الجسم وزاوية السطح الموجود عليه “إذا لم يكن السطح مسطحًا”.
مع زيادة القوة العادية، تزداد قوة الاحتكاك أيضًا بشكل متناسب، هذا هو السبب في صعوبة دفع الأشياء الثقيلة أكثر من الأشياء الخفيفة، على الرغم من أنّ قوة الاحتكاك تعتمد على القوة العادية، فإنّ قانون الاحتكاك الثاني ينص على أنّ قوة الاحتكاك لا تعتمد على منطقة التلامس بين الجسم والسطح، تخيل أنّك قلبت صندوقًا بحيث كان القليل منه ملامسًا للأرض، هل سيغير ذلك القوة الطبيعية؟ لا! لا يزال الصندوق يزن كما هو، لذلك لا تتغير القوة الطبيعية، حتى لو تغيرت منطقة التلامس.
ينص قانون الاحتكاك الثالث على أنّه بالإضافة إلى القوة الطبيعية، تعتمد قوة الاحتكاك أيضًا على نوع الأسطح الملامسة، على سبيل المثال، أنت تعلم أنّه إذا حاولت دفع صندوق ثقيل على أرضية مغطاة بالسجاد، فسيكون من الصعب دفعه أكثر ممّا لو دفعته على أرضية ناعمة، هذا لأنّ قوة الاحتكاك بين الصندوق والسجاد الخشنة أكبر بكثير من قوة الاحتكاك بين الصندوق والأرضية الملساء.
لقياس تأثير الأسطح المختلفة على قوة الاحتكاك كميًا، يمكنك حساب معامل الاحتكاك، معامل الاحتكاك هو رقم لا يحتوي على وحدات تعتمد على خشونة السطحين المتصلين، رمز معامل الاحتكاك هو الحرف اليوناني (mu)، ويتراوح عادةً بين (0-1)، سيكون للأسطح الملساء معامل احتكاك أقرب إلى الصفر، وسيكون معامل الاحتكاك للأسطح الخشنة أقرب إلى واحد.
معادلات قوانين الاحتكاك:
يتم إعطاء قوانين الاحتكاك لجسمين على اتصال مع بعضهما البعض على النحو التالي:
- إذا كان الجسمان المتصلان ببعضهما البعض ينزلقان فوق بعضهما البعض، أو كان لهما حركة نسبية مرتبطة ببعضهما البعض، فإنّ الاحتكاك المتضمن هو الاحتكاك الحركي (kinetic friction)، ويعطى بواسطة المعادلة:
FK = µkN
حيث:
FK– الاحتكاك الحركي.
µk– معامل الاحتكاك الحركي.
N– قوة رد فعل طبيعية.
- اتجاه هذا الاحتكاك الحركي على الجسم هو عكس اتجاه السرعة النسبية للجسم بالنسبة إلى الجسم الآخر، لنفترض أنّ الجسم (A) يتحرك على الجسم (B) في اتجاه المحور السيني الموجب (positive x-direction)، فإنّ قوة الاحتكاك الحركية على الجسم (A) ستؤثر في اتجاه المحور السيني السالب (negative x-direction).
- إذا لم يكن للأجسام حركة نسبية مرتبطة ببعضها البعض، فإنّ الاحتكاك بينهما يكون احتكاكًا ثابتًا ويكون دائمًا أقل من الاحتكاك الحركي أو مساويًا له، من المهم أن نتذكر أنّ قيمة الاحتكاك الساكن ليست ثابتة، كما هو الحال مع الاحتكاك الحركي، تعتمد قيمة الاحتكاك الساكن على مقدار القوة المؤثرة على الجسم، افترض أنّ القيمة القصوى للاحتكاك الساكن “الحد من الاحتكاك” هي (5) نيوتن لجسم يتم الاحتفاظ به على سطح معين، إذا قمت بتطبيق قوة مقدارها (2) نيوتن على الجسم، فإنّ قيمة الاحتكاك الساكن ستكون (2) نيوتن، ولن يتحرك الجسم، سيبدأ الجسم في الحركة عندما تتخطى القوة قيم (5 N).
- لا تعتمد قوة الاحتكاك الحركي وقوة الاحتكاك الساكن على منطقة التلامس طالما أنّ قوة التفاعل العادي هي نفسها.
- يتم تحقيق أقصى قيمة للاحتكاك الساكن عندما يكون الجسم على وشك الحركة، يُعرف الاحتكاك في هذه المرحلة أيضًا باسم “الحد من الاحتكاك” (limiting friction)، دائمًا ما يكون الحد من الاحتكاك أكبر قليلاً من الاحتكاك الحركي، ويعطى من خلال المعادلة التالية:
fmax = µs N
حيث:
fmax– الحد من الاحتكاك.
µs– معامل الاحتكاك الساكن.
N– قوة رد فعل طبيعية.
