نیروی اصطکاک چیست؟ انواع اصطکاک

مجموعه: چرا ، زیرا و چگونه

نیروی اصطکاک چیست

درباره نیروی اصطکاک چه میدانید؟

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، یک نیروی مقاومتی در خلاف جهت حرکت اجسام است. به همین دلیل برای ایجاد لغزش یا شروع حرکت باید نیرویی بیشتر از نیروی اصطکاک به جسم وارد کنیم. جالب است بدانید نیرویی که برای به حرکت درآوردن یک جسم ثابت نیاز است بیشتر از نیرویی‌ست که برای یک جسم درحال حرکت یکنواخت و بدون شتاب نیاز داریم. طبق قانون اول نیوتن دلیل این اتفاق تمایل جسم ساکن به باقی ماندن در آن وضعیت است. 

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

به همین دلیل در برخی صنایع مانند ساخت ماشین آلات‌ صنعتی،‌ خودروسازی و... این نیرو را کاهش می‌دهند تا باعث بهبود عملکرد شوند. همچنین هرگاه بخواهیم سرعت جسمی را کاهش دهیم یا آنرا متوقف کنیم باید نیروی اصطکاک را افزایش دهیم. برای مثال ساختار ترمزها بر همین اساس می‌باشد و جهت بیشتر کردن اصطکاک به کار می‌روند.

انواع اصطکاک

نیروی اصطکاک به چهار نوع مختلف تقسیم می‌شود:

• نیروی اصطکاک ایستایی

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

نیروی اصطکاک میان اشیاء روی میز و سطح میز از نوع ایستایی است

• نیروی اصطکاک جنبشی

هنگامی که یک جسم جامد را روی یک جسم جامد دیگر به حرکت در می‌اوریم، نیروی اصطکاک جنبشی بوجود می‌آید. این نیرو به صورت موازی با سطح تماس توسط هر جسم بر دیگری وارد می‌شود و در خلاف جهت حرکت آنهاست. 

چرخ‌های ماشین که در تماس با زمین هستند، با نیروی اصطکاک جنبشی مقابله می‌کنند

• اصطکاک خشک

وقتی میان دو جسم از ماده دیگری مانند 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 مثال 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 دو سطح درتماس وابسته است و با نماد μ_k نشان داده می‌شود نیاز داریم. برای بدست آوردن نیروی اصطکاک می‌توانیم از دو 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 دو سطح می‌باشد و Fk برای بیان میزان نیروی اصطکاک بین دو جسم استفاده می‌شود.

هنگامی که یک جسم در حالت سکون قرار دارد، با افزایش نیرو جهت جابه‌جایی، نیروی عمودی وارد بر آن نیز افزایش می‌یابد. البته با افزایش پیوسته نیرو بالاخره جسم شروع به حرکت می‌کند. بیشترین نیروی اصطکاک ایستایی ممکن بین دو سطح با فرمول زیر بدست می‌آید و برای به حرکت درآوردن اجسام تنها کمی نیروی بیشتر از آن نیاز داریم.

F_(s max )= μ_s F_n

برای درک بهتر این مطلب مثال‌ زیر را بخوانید:

مسئله: شخصی میخواهد میزی با جرم ۱۱۰ کیلوگرم را هل دهد و به طرف دیگر خانه‌اش منتقل کند. ضریب استکاک ایستایی بین میز و سطح برابر با ۰.۶ و ضرییب اصطکاک جنبشی ۰.۴ است و شخص در دو حالت زیر به آن نیرو وارد می‌کند:

F=500N 2) F=800N 

در هر یک 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 تعادل نیرو نیز، نیروی عموی وارد شده به جسم نیز برابر وزن آن است. بنابرین نیروی اصطکاک ایستایی ماکزیمم آن برابر 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 وارد بر جسم ۵۰۰ نیوتن باشد، میزان اصطکاک ایستایی آن نیز ۵۰۰ نیوتن است و ساکن می‌ماند. اما وقتی بیشتر از ۶۴۷ نیوتن باشد حرکت  می‌کند و وارد کردن ۸۰۰ نیوتن که از ماکزیمم اصطکاک ایستایی بیشتر است موجب حرکت و تغییر اصطکاک به جنبشی است که برای محاسبه 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 باعث فرسودگی،‌ ایجاد گرما، سروصدا، کاهش سرعت و... می‌شود و در آن بخش مفید واقع نمی‌شود. بدین منظور می‌توان از روش‌هایی مانند گریس کاری، روغن کاری، استفاده از بلبرینگ، چرخ، غلتک، ساچمه، صاف کردن سطوح، تیز کردن نوک اجسام و تخت هوا اصطکاک را کاهش داد.

بلبرینگ‌ها به دلیل چرخش و روغن‌کاری شدن اصطکاک را به شدت کاهش می دهد

 

افزایش نیروی اصطکاک نیز در جهت کاهش سرعت و توقف به وسیله ترمزها در وسایل نقلیه یا آسانسورها، روشن کردن کبریت یا فندک‌های چخماقی، جلوگیری 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.

سیستم ترمزها در ماشین، با درگیر کردن چرخ‌ها اصطکاک را افزایش می‌دهد

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

ریل قطارها برای کاهش اصطکاک به صاف‌ترین و صیقلی ترین شکل ممکن ساخته می‌شود

از جمله موارد دیگری که می‌توان به آنها اشاره کرد، اصطکاک دو آجر روی یکدیگر است که بسیار 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 شدت کاهش می‌یابد و آجر راحت‌تر روی شیشه سر می‌خورد.

همچنین وقتی سطح هر دو جسم خیلی صاف و صیقلی باشند، برای مثال دو شیشه‌ی تخت روی یکدیگر با نزدیک شدن مولکول‌هایشان بهم  با نزدیک شدن مولکول‌های هردو جسم و قرار گرفتن در فاصله پیوندی با ایجاد نیروی چسبندگی سطحی باعث ایجاد اصطکاک می‌شوند. به این پدیده که جوش سرد نیز گفته می‌شود نوعی ایجاد پیوندی بسیار قوی میان دو 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 (مانند چربی، اکسید و..) میان آنها، اتم ها هیچ‌راهی برای فهمیدن اینکه در دو قطعه متفاوت هستند ندارند و این پدیده بوجود می‌آید.

گردآوری:بخش علمی بیتوته