مثال 2

حتی در دوران مدرسه، در کلاس هفتم یا هشتم، هر فردی با مفهوم جدیدی از فیزیک پویا - اصطکاک - آشنا می شود. با این حال، بسیاری، پس از بلوغ، فراموش می کنند که چگونه این نیرو کار می کند. بیایید سعی کنیم این موضوع را درک کنیم.

تعریف مفهوم

اصطکاک پدیده ای است که به این معنی است: هنگامی که دو جسم با یکدیگر تماس پیدا می کنند، فعل و انفعال خاصی در نقطه تماس آنها ایجاد می شود و مانع از ادامه حرکت اجسام نسبت به یکدیگر می شود. واضح است که می توان مقدار اندرکنش این اجسام را محاسبه کرد. این دقیقاً همان چیزی است که این تعامل را از نظر کمی مشخص می کند. اگر اصطکاک بین اجسام جامد اتفاق بیفتد (مثلاً برهمکنش کتاب با قفسه کتاب یا سیب با میز)، به چنین برهمکنشی اصطکاک خشک می گویند.

باید درک کرد که اصطکاک یک نیروی ماهیت الکترومغناطیسی است. این بدان معنی است که علت این نیرو برهمکنش بین ذرات تشکیل دهنده یک جسم خاص است.

اصطکاک چگونه است؟

با توجه به تنوع اشیاء موجود در دنیای ما، می توان تشخیص داد که هر یک از آنها ساختار خاص خود را دارند و دارای ویژگی های فردی هستند. این بدان معنی است که تعامل بین آیتم های مختلفمتفاوت خواهد بود. برای درک صحیح ماهیت و راه حل مناسب بسیاری از مسائل در فیزیک، مرسوم است که به طور متعارف سه نوع اصطکاک را تقسیم کنیم. بنابراین، اجازه دهید هر یک را جداگانه بررسی کنیم:

• اصطکاک اولاصطکاک ایستایی است که در غیاب حرکت نسبی دو جسم رخ می دهد. ما می توانیم نمونه هایی از آن را در همه جا ببینیم، زیرا نیروی ایجاد شده توسط این اصطکاک اجسام را در تعادل نگه می دارد. به عنوان مثال، کالاهای روی یک تسمه نقاله متحرک، میخی که به دیوار زده شده است، یا شخصی که روی زمین ایستاده است.
• اصطکاک لغزشی- این به طور مشروط اصطکاک دوم است. معنی لغزش به این صورت تعریف می شود: زمانی که نیرویی به جسمی که در حالت تعادل است بیشتر از نیروی اصطکاک استاتیکی وارد شود، نیروی اصطکاک لغزشی شروع به عمل کرده و جسم از جای خود حرکت می کند.
• و در نهایت، اصطکاک غلتشی، تعامل دو جسم را توضیح می دهد که یکی از آنها روی سطح دیگری می غلتد. تفاوت در و لغزش با این واقعیت توضیح داده می شود که با هر حرکت، نواحی بدن در طول سطح تماس جابجا می شوند و به جای پیوندهای بین مولکولی شکسته، پیوندهای جدیدی تشکیل می شود. و در حالتی که چرخ بدون لغزش می چرخد، پیوندهای مولکولی هنگام بلند کردن بخش هایی از چرخ بسیار سریعتر از هنگام لغزش شکسته می شود. معلوم می شود که نیروی اصطکاک غلتشی کمتر از نیروی لغزش است.

کجا و چگونه می توان از اصطکاک استفاده کرد؟

اصطکاک پدیده‌ای غیرقابل جایگزین است که بدون آن نمی‌توانیم کارهای اساسی را انجام دهیم: راه رفتن، نشستن یا به سادگی نگه داشتن اشیاء در دست. بنابراین، اهمیت اصطکاک را دست کم نگیرید. همانطور که گیوم فیزیکدان فرانسوی گفت: "اگر اصطکاک وجود نداشت، زمین ما بدون یک زبری بود، مانند یک قطره مایع بود."

شاید، بهترین مثال، که دقیق ترین مشخصه اصطکاک است، کار چرخ است. حتی در زمان های قدیم مشاهده می شد که نیروهای اصطکاک غلتشی بسیار کمتر از نیروهای اصطکاک لغزشی است. این مزایای غیرقابل انکار اصطکاک غلتشی بود که باعث شد مردم از کنده یا غلتک برای جابجایی بارهای سنگین و حجیم استفاده کنند. با گذشت زمان، مردم دانش خود را در مورد آن افزایش دادند خواص شگفت انگیزاصطکاک غلتشی، حرکت اجسام را تحت تأثیر نیروهای اصطکاک مشاهده کرد و در نهایت چرخ را اختراع کرد! در دنیای مدرنتصور زندگی بدون این قطعات غیر قابل تعویض غیرممکن است، زیرا چرخ ها دومین "موتور" هر حمل و نقل هستند!

چگونه نیروی اصطکاک را محاسبه کنیم؟

مانند هر دیگری، دارای مقادیر صحیح است. به منظور تعیین دقیق میزان نیروی مورد نیاز برای جابجایی یا انواع دیگر کارها، باید نیروی اصطکاک ساکن را محاسبه کرد. این معمولاً کاری است که مهندسان وقتی مثلاً کارخانه می سازند یا دستگاه های جدید اختراع می کنند انجام می دهند. با این حال، حتی دانش آموزان عادی نیز با آن مواجه هستند وظایف خاص، جایی که لازم است نیروی اصطکاک محاسبه شود. بنابراین، برای محاسبه مقدار آن، فقط باید از یک فرمول ساده استفاده کنید: F اصطکاک = K * N که k ضریب اصطکاک است. مقدار همه ضرایب همیشه بستگی به سطح جسمی دارد که جسم روی آن حرکت می کند یا با آن تعامل دارد. "N" در فرمول ما به معنای نیروی وارد بر بدن است. این در درجه اول به جرم بدنی که با سطح تکیه گاه در تماس است بستگی دارد.

مقدار نیرو را در مسئله محاسبه کنید

فرض کنید جسمی با جرم m = 3 کیلوگرم روی یک تخته افقی قرار دارد. بین تخته چوبیو بدنه 0.3 است. چگونه مقدار نیروی اصطکاک را پیدا کنیم؟ این بسیار ساده است، تنها کاری که باید انجام دهید این است که مقادیر ما را در فرمول جایگزین کنید. فقط باید در نظر بگیرید که N در این مورد برابر با وزن بدن است (طبق قانون 3 نیوتن). بنابراین، نیروی مورد نیاز برابر است با (m * g) * k = (3 کیلوگرم * 10 m/s 2) * 0.3 = 9 نیوتن.

همه می دانند که حرکت اجسام سنگین روی هر سطحی چقدر دشوار است. این به دلیل این واقعیت است که سطح یک جامد کاملاً صاف نیست و دارای بریدگی های زیادی است (اندازه های مختلفی دارند که در هنگام آسیاب کاهش می یابد). هنگامی که دو بدن با هم تماس پیدا می کنند، دندان ها به هم متصل می شوند. اجازه دهید یک نیروی کوچک (F) به یکی از اجسام اعمال شود که به طور مماس بر سطوح تماس هدایت می شود. تحت تأثیر این نیرو، بریدگی ها تغییر شکل می دهند (خم می شوند). بنابراین، یک نیروی الاستیک در امتداد سطوح تماس ظاهر می شود. نیروی ارتجاعی وارد بر جسمی که نیروی F به آن وارد می شود آن را جبران می کند و جسم در حالت سکون باقی می ماند.

نیروی اصطکاک استاتیک – نیرویی که در مرز اجسام در تماس در غیاب حرکت نسبی آنها ایجاد می شود.

نیروی اصطکاک ساکن به صورت مماس به سطح اجسام در تماس (شکل 10) در جهت مخالف نیروی F هدایت می شود و از نظر قدر با آن برابر است: Ftr = - F.

با افزایش مدول نیرو F، خمش شکاف های قلاب شده افزایش می یابد و در نهایت شروع به شکستن می کنند و بدن شروع به حرکت می کند.

نیروی اصطکاک لغزشی – این نیرویی است که در مرز اجسام در تماس در طول حرکت نسبی آنها ایجاد می شود.

بردار نیروی اصطکاک لغزشی بر خلاف بردار سرعت جسم نسبت به سطحی که روی آن می لغزد، جهت دارد.

جسمی که روی یک سطح جامد می لغزد، توسط نیروی گرانش P که در امتداد حالت عادی هدایت می شود، بر روی آن فشار داده می شود. در نتیجه، سطح خم می شود و نیروی کشسانی N ظاهر می شود (نیروی فشار معمولی یا واکنش پشتیبانی)، که نیروی فشار P (N = - P) را جبران می کند.

هر چه نیروی N بیشتر باشد، چنگال بریدگی ها عمیق تر است و شکستن آنها دشوارتر می شود. تجربه نشان می دهد که مدول نیروی اصطکاک لغزشی با نیروی فشار عادی متناسب است:

ضریب بی بعد μ را ضریب اصطکاک لغزشی می نامند. این بستگی به مواد سطوح تماس و درجه سنگ زنی آنها دارد. به عنوان مثال، هنگام سفر با اسکی، ضریب اصطکاک به کیفیت روان کننده (روغن کننده های گران قیمت مدرن)، سطح پیست اسکی (نرم، شل، فشرده، یخی)، وضعیت خاص برف بستگی دارد. دما و رطوبت هوا و غیره. تعداد زیادی از عوامل متغیر توسط ضریب ثابت نیست تعیین می شود. اگر ضریب اصطکاک در محدوده 0.045 - 0.055 قرار گیرد، لغزش خوب در نظر گرفته می شود.

جدول مقادیر ضریب اصطکاک لغزشی را برای اجسام مختلف تماس نشان می دهد.

ضرایب اصطکاک لغزشی برای موارد مختلف

نقش نیروی اصطکاک در بسیاری از موارد مثبت است. به لطف این نیرو است که حرکت انسان ها، حیوانات و حمل و نقل زمینی. بنابراین، هنگام راه رفتن، فردی که عضلات پای حمایت کننده را منقبض می کند، از زمین فشار می آورد و سعی می کند کف پا را به عقب براند. این توسط نیروی اصطکاک استاتیکی که به سمت آن هدایت می شود جلوگیری می شود سمت معکوس– جلو (شکل 11).

نیروی اصطکاک (Ftr.) نیرویی است که هنگام برخورد سطوح دو جسم ایجاد می شود و از حرکت نسبی آنها جلوگیری می کند. به دلیل نیروهای الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط اتم ها و مولکول ها در نقطه تماس این دو جسم ظاهر می شود.

برای توقف یک جسم متحرک، نیرو باید در جهت مخالف جهت حرکت عمل کند. به عنوان مثال، اگر کتابی را روی میز فشار دهید، شروع به حرکت می کند. نیرویی که به کتاب وارد می کنید آن را به حرکت در می آورد. کتاب می لغزد، سپس به دلیل اصطکاک سرعتش کاهش می یابد و متوقف می شود.

ویژگی های نیروهای اصطکاک

اصطکاک ذکر شده در بالا که هنگام حرکت اجسام ظاهر می شود، خارجی یا خشک نامیده می شود. اما همچنین می تواند بین قطعات یا لایه های یک جسم (مایع یا گازی) وجود داشته باشد.
ویژگی اصلیبیایید وابستگی اصطکاک را به سرعت حرکت نسبی اجسام بنامیم.
ویژگی های مشخصه دیگری نیز وجود دارد:

• هنگامی که دو جسم متحرک با سطوح تماس پیدا می کنند.
• عمل آن موازی با منطقه تماس است.
• جهت مخالف بردار سرعت بدن.
• بستگی به کیفیت سطوح (صاف یا ناهموار) و اجسام متقابل دارد.
• شکل یا اندازه جسمی که در یک گاز یا مایع حرکت می کند، بر بزرگی نیروی اصطکاک تأثیر می گذارد.

انواع اصطکاک

چندین نوع وجود دارد. بیایید به تفاوت های آنها نگاه کنیم. کتابی که روی میز می لغزد در معرض اصطکاک لغزشی است.

نیروی اصطکاک لغزشی

جایی که N نیروی واکنش زمین است.

لطفا به برخی شرایط توجه کنید:

اگر شخصی دوچرخه سواری کند، اصطکاک در هنگام تماس چرخ با جاده، اصطکاک غلتشی است. این نوع نیرو به طور قابل توجهی کوچکتر از نیروی اصطکاک لغزشی است.

نیروی اصطکاک غلتشی

مقادیر بسیار کمتری از این نوع نیرو توسط افرادی که از چرخ ها، غلتک ها و بلبرینگ ها در قسمت های متحرک مختلف دستگاه ها استفاده می کنند، استفاده می شود.

چارلز آگوستین کولن در کار خود در مورد تئوری اصطکاک، محاسبه نیروی اصطکاک غلتشی را به صورت زیر پیشنهاد کرد:

,
μ - ضریب اصطکاک.
روان کننده، اغلب به شکل یک لایه نازک مایع، اصطکاک را کاهش می دهد.
مایعات یا گازها محیط های خاصی هستند که در آنها این نوعقدرت در این محیط ها اصطکاک تنها زمانی رخ می دهد که جسم در حال حرکت باشد. نمی توان در مورد نیروی اصطکاک ساکن در این رسانه ها صحبت کرد.

نیروی اصطکاک در مایعات و گازها

این نوع نیرو را نیروی مقاومتی محیط می نامند. حرکت یک جسم را کند می کند. شکل ساده تر جسم بر مقدار نیروی پسا تأثیر می گذارد - به طور قابل توجهی کاهش می یابد. بنابراین در کشتی سازی از بدنه ساده کشتی ها یا زیردریایی ها استفاده می شود.
نیروی مقاومت محیط به موارد زیر بستگی دارد:

• ابعاد هندسی و شکل جسم؛
• ویسکوزیته یک محیط مایع یا گازی؛
• وضعیت سطح جسم؛
• سرعت یک جسم نسبت به محیطی که در آن قرار دارد.