ما هي قوة الاحتكاك

ما هو مفهوم قوة الاحتكاك؟

يعرف مفهوم قوة الاحتكاك بأنة القوة التي تقاوم الحركة عندما يتلامس سطح جسم ما مع سطح جسم آخر، حيث يتم تقليل الميزة الميكانيكية للآلة عن طريق الاحتكاك، أو بعبارة أخرى، يتم تقليل نسبة المخرجات إلى المدخلات بسبب الاحتكاك، وتستخدم السيارة ربع طاقتها في الحد من الاحتكاك، ومع ذلك فإن الاحتكاك أيضًا في الإطارات هو الذي يسمح للسيارة بالبقاء على الطريق والاحتكاك في القابض الذي يجعل من الممكن القيادة، أيضا من أعواد الثقاب إلى الآلات إلى الهياكل الجزيئية، يعد الاحتكاك أحد أهم الظواهر في العالم المادي.

كيف تنشأ قوة الاحتكاك؟

تشير قوة الاحتكاك إلى القوة الناتجة عن سطحين يتلامسان وينزلقان ضد بعضهما البعض، وبعض العوامل التي تؤثر على قوة الاحتكاك هي: تتأثر هذه القوى بشكل أساسي بنسيج السطح ومقدار القوة التي تدفعها معًا، كما تؤثر زاوية الكائن وموضعه على مقدار قوة الاحتكاك، وأيضا إذا تم وضع جسم مسطحًا على جسم ما، فستكون قوة الاحتكاك مساوية لوزن الجسم، أما إذا تم دفع جسم ما على السطح، فستزداد قوة الاحتكاك وتصبح أكثر من وزن الجسم.

يعتمد التعاون الذي نختاره على الكائن والموقف المحدد، وإذا كان الجسم لا يتحرك عبر السطح، يمكن استخدام معامل الاحتكاك الساكن، ولكن إذا كان الكائن قيد الدراسة يتحرك، كما يمكن استخدام معامل الانزلاق الاحتكاك μslide، ويؤثر نوع المواد المستخدمة أيضًا على الكفاءة المشتركة، فعلى سبيل المثال، إذا كانت كتلة الخشب على سطح من الطوب، فسيكون المعامل 0.6، ولكن إذا كان على كتلة من الخشب النظيف، فسيتراوح من 0.25 إلى 0.5.

حساب قوة الاحتكاك:

يمكن حساب الحد الأقصى لمقدار قوة الاحتكاك التي يمكن أن يطبقها السطح على كائن ما بسهولة باستخدام الصيغة المحددة:Ffrict = µ • Fnorm

القوة الطبيعية هي قوة الدعم التي تمارس على جسم على اتصال بجسم مستقر آخر، ويمكن وصف القوة العادية ببساطة في معظم الحالات بالصيغة التالية: N = mg، ففي هذه الصيغة، يصف m كتلة الجسم، بينما يرمز g إلى التسارع الناتج عن الجاذبية، أما في حالة وجود سطح مائل، تقل قوة السطح الطبيعي كلما زاد ميل السطح، ومن هنا تصبح الصيغة: N = mg cos (θ)، حيث θ تمثل الزاوية التي يميل إليها السطح، وفي عملية حسابية بسيطة، يمكنك حساب القوة الطبيعية لكتلة من الخشب تزن 2 كجم موضوعة على سطح مثل N = 2 كجم × 9.8 نيوتن / كجم = 19.6 نيوتن.

إن صيغة قوة الاحتكاك تعطى بواسطة F = μN، وعلى سبيل المثال، كتلة الخشب التي تزن 2 كجم وتستريح على طاولة ليتم دفعها من السكون، وفي هذه الحالة، نعتبر الاحتكاك الساكن ذو كفاءة مشتركة، وتكون 0.5 هو الكفاءة المشتركة الثابتة للخشب.

وباستخدام التفاصيل الموضحة، يمكننا حساب القوة العمودية على النحو التالي: N = 2 kg × 9.8 N / kg = 19.6 N والآن بعد أن أصبح لدينا قيم القوة العادية والاحتكاك الساكن، يمكننا حساب قوة الاحتكاك كما يلي:F = 0.5 × 19.6 N = 9.8 نيوتن.

أنواع مختلفة من قوة الاحتكاك:

هناك أنواع مختلفة من قوى الاحتكاك، حيث يتم تصنيف الاحتكاك الذي يحدث بين الأسطح الصلبة على أنه احتكاك ثابت، حركي، متداول، وانزلاق، ويطلق على الاحتكاك الذي يحدث بين السوائل والغازات احتكاك السوائل، ومن ثم، يصنف الاحتكاك على نطاق واسع على أنه:

• احتكاك جاف.
  
• الاحتكاك الساكن.
  
• الاحتكاك الحركي.
  
• الاحتكاك المتداول.
  
• انزلاق الاحتكاك.
  
• احتكاك السوائل.
  

الاحتكاك الجاف:

يصف الاحتكاك الجاف التفاعل بين جسمين صلبين على اتصال عندما يكونان في حالة حركة (الاحتكاك الحركي) وعندما لا يكونا كذلك (الاحتكاك الساكن)، حيث إن كل من الاحتكاك الساكن والحركي يتناسب مع القوة الطبيعية التي تمارس بين الأجسام الصلبة، ويتم نمذجة تفاعل المواد المختلفة مع معاملات احتكاك مختلفة، ونعني بهذا أن بعض المواد تتمتع بمقاومة أعلى للحركة من المواد الأخرى لنفس القوة الطبيعية فيما بينها، ويتم تحديد كل من هذه القيم بشكل تجريبي.

احتكاك السوائل:

يعرف مفهوم احتكاك السوائل بأنه القوة التي تعيق تدفق السائل، وإنها حالة يوفر فيها السائل مقاومة بين السطحين، فإذا كان كلا السطحين يوفران مقاومة عالية، فإنه يُعرف باسم اللزوجة العالية، وبشكل عام، نسميها دهنية.

ومن الأمثلة على احتكاك السوائل، لتجنب أصوات صرير من الأبواب، نقوم بتشحيم مفصلات الأبواب مما يؤدي إلى التشغيل السلس لمفصلات الأبواب، وعندما تسقط الكرة في دلو مليء بالماء، يتناثر الماء من الدلو، وكل ذلك بسبب طفو السوائل.

أمثلة على قوة الاحتكاك:

1- يتم سحب كتلة كبيرة من الجليد عبر بحيرة متجمدة، كتلة الجليد كتلتها ٣٠٠ كجم، ومعامل الاحتكاك بين سطحين جليديين صغير: μk = 0.05، نستطيع أن نحسب قوة الاحتكاك المؤثرة على كتلة الجليد بأنها على سطح مستو، تُعطى القوة العمودية المؤثرة على الجسم بواسطة N = mg، وبهذا يمكننا إيجاد قوة الاحتكاك كما يلي: F_f = μN ،F_f = μmg وباستبدال القيم في المعادلة التي نحصل عليها،F_f =0.05 × 300 kg × 9.8 m/s²
= 157 kg-m/s² or 157 N، حيث تبلغ قوة الاحتكاك المؤثرة في الاتجاه المعاكس أثناء سحب كتلة الجليد عبر البحيرة 157 نيوتن.

2- على رجل أن يدفع قاربه على الشاطئ عبر الوحل للوصول إلى الماء حيث يُعطى معامل الاحتكاك بين القارب والوحل بالصيغة μ = 0.400، إذا كانت كتلة القارب 40 كجم، نحسب مقدار قوة الاحتكاك المؤثرة على القارب، سيكون الحل: على سطح مستو، القوة العمودية المؤثرة على الجسم هي N = mg.
وباستخدام هذا، يمكننا حساب قوة الاحتكاك كما يلي:
F = μN F = μ mg باستبدال القيم في المعادلة، نحصل على F = (0.400) (40.0 كجم) (9.80م/ ث ²) القوة = 156.8، حيث تبلغ قوة الاحتكاك المؤثرة على القارب 156.8 نيوتن.