نیروی اصطکاک چیست؟ – نحوه ایجاد و انواع آن

در اثر ساییده شدن دو جسم به یکدیگر نیرویی به وجود می آید که در برابر این سایش مقاوت می کند، به این نیرو، نیروی اصطکاک می گویند.

این نیرو باعث فشرده شدن دو جسم به همدیگر می شود. در سطوح ناصافی که فرورفتگی ها و برآمدگی های زیادی دارند، نیروی اصطکاک زیاد بوده و در سطوح صاف، مقدار این نیرو کم خواهد بود. درباره نیروی گفته شده، در کتاب علوم پایه ششم مطالبی نوشته شده است. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک حاضر نیز ما را با خواص این نیرو و انواع آن ها آشنا می کند.

نیرو چیست؟

عاملی که به ایجاد حرکت و یا ایجاد میل به حرکت در اجسام و یا توقف آن ها می شود به عنوان نیرو تعریف می شود. هل دادن یا کشیدن یک جسم را که در برهمکنش با جسم دیگر است، به عنوان نیرو تعریف می کنند که واحد آن در فیزیک بر حسب نیوتن بیان می شود. بر طبق قانون دوم نیوتن، نیرو یک کمیت برداری است. انواع نیرو به دو دسته نیروهای تماسی و غیرتماسی تقسیم می شوند. نیروهای تماسی شامل نیروهای اصطکاک، کشش، نرمال، مقاومت هوا، اعمالی و ارتجاعی است. اما نیروهای غیرتماسی شامل نیروی گرانشی، الکتریکی و مغناطیسی است.

نیروی اصطکاک چیست؟

وقتی دو جسم به هم مالیده می شود بین آن ها نیرویی به نام اصطکاک ایجاد می شود که از سرعت حرکت این دو جسم روی هم می کاهد. در اثر این سایش، بین این اجسام حرارت و گرما ایجاد می شود. به عنوان مثال وقتی در هنگام سرما دو دست خود را به هم می مالیم، به گرم شدن دستان خود کمک می کنیم. تیز کردن چاقو، سمباده زدن چوب و فلز و هل دادن اجسام نمونه های دیگری از اصطکاک است. چون جهت این نیرو مخالف جهت حرکت اجسام است، به همین دلیل با نیرویی بزرگتر از اصطکاک، می توان حرکت یک جسم را سبب شد.

نکته

بر طبق قانون اول نیوتن و اینرسی سکون که تمایل جسم ساکن به ثابت ماندن را نشان می دهد، نیروی بیشتری برای حرکت جسم ساکن نسبت به جسم در حال حرکت نیاز است.

عوامل موثر در اصطکاک

میزان نیروی اصطکاک به دو عامل جنس دو سطح و دیگری نیروی عمود بر سطح بستگی دارد. با زیاد شدن نیروی عمود بر سطح که همان وزن اجسام است، برآمدگی ها و فرورفتگی های دو سطح در هم بیشتر فرو رفته و اصطکاک زیاد می شود.

فواید و معایب وجود نیروی اصطکاک

محیط زندگی و بسیاری از صنایع تحت تاثیر اصطکاک هستند. به عنوان مثال به دلیل وجود اصطکاک است که اتومبیل ها می توانند متوقف شوند، یا ما بدون سر خوردن می توانیم راه برویم، جابجایی وسایل به راحتی انجام می شود و همچنین این نیرو سرعت وزش باد را کاهش می دهد. اما وجود این نیرو اثرات مخربی نیز دارد. به این ترتیب که اجسامی که در معرض اصطکاک هستند دچار فرسایش شده و خیلی زود خراب می شوند.

به همین جهت برخی از اوقات لازم است که میزان این نیرو کاهش یابد. کارکرد بهتر صنایع ماشین سازی و تولید ماشین آلات صنعتی به کاهش میزان اصطکاک بستگی دارد.

راه های کاهش اصطکاک

٭ اولین راهی که می توان به کاهش اصطکاک کمک کرد صیقل دادن سطح اجسام است. چون عامل ایجاد اصطکاک در هم فرورفتن ناهمواری های سطوح دو جسم در تماس با هم است، با صیقل دادن این سطوح به کاهش اصطکاک کمک می کنیم. زیر چوب اسکی دارای سطحی صاف است که برای راحت کردن حرکت، اصطکاک را کم می کند.

٭ از راه های کاهش اصطکاک روغن کاری سطوح دو جسم است. چون روغن با پر کردن فرورفتگی های سطح، اصطکاک را کاهش می دهد. روغن کاری لولای در، نمونه ای از این روش است.

٭ از راه های دیگر کاهش اصطکاک قرار دادن چرخ یا غلتک بین سطوح است که به کاهش اصطکاک کمک می کند و حرکت را آسان می کند.

٭با پر کردن فضای بین سطوح دو جسم نیز می توان اصطکاک را کم کرد. وسیله ای که روی سطح آب با لایه ای از هوا حرکت می کند به نام هاورکرافت است که از این روش در کاهش اصطکاک آن استفاده می شود.

انواع نیروی اصطکاک

دو نوع اصطکاک به نام های اصطکاک ایستایی و جنبشی وجود دارد. به جز این موارد، دو نوع اصطکاک به نام های خشک و تر نیز تعریف می شود. در زیر به تعریف هر کدام از این نیروها می پردازیم.

اصطکاک ایستایی

با وارد کردن نیروی افقی به جسمی که در حالت ساکن در سطح افقی قرار دارد، جسم حرکتی نکند، نشان دهنده صفر بودن برآیند نیروهای وارد شده بر آن است. این نیرو که برابر با نیروی وارد شده بر جسم بوده از برهمکنش دو جسم ساکن به وجود آمده است، به نام اصطکاک ایستایی است. یعنی نیروی اصطکاک با نیروی F وارد شده بر آن برابر بوده و در جهت حفظ اینرسی بین دو سطح وارد می شود. این میزان اصطکاک مانع حرکت جسم می شود.

اما نیروی وارد شده بیشتر از میزان اصطکاک ایستایی باشد، جسم می تواند شروع به حرکت کند. به میزان این اصطکاک در این لحظه، اصطکاک در آستانه حرکت می گویند. برای محاسبه ی ضریب اصطکاک از نقطه ی نیروی در آستانه حرکت استفاده می کنند.

اصطکاک جنبشی

وقتی یک جسم روی یک جسم دیگر حرکت می کند نیروی اصطکاک جنبشی از طرف هر کدام از اجسام در حال حرکت به دیگری وارد می شود. نیروی وارده که از برهمکنش تماس بین دو جسم حاصل می شود، موازی سطح تماس و در خلاف جهت حرکت جسم خواهد بود.

باید به این نکته توجه کرد که اصطکاک ایستایی، بیشتر مواقع از اصطکاک جنبشی بیشتر است. در توضیح این نکته همان طور که در بالا نیز اشاره شد، از قانون اول نیوتن استفاده می کنیم. جسمی که در حالت سکون قرار دارد به دلیل اینرسی سکون تمایل به حفظ حالت ساکن خود دارد و جسم در حال حرکت نیز تمایل به حفظ حالت حرکت خود دارد. بنابراین برای حرکت جسم ساکن، باید به دو نیروی اینرسی و اصطکاک غلبه شود. اما به جسم در حال حرکت، برای تغییر حالت حرکت فقط به غلبه بر اصطکاک نیاز است. پس در جسم ساکن به میزان نیروی بیشتری نسبت به جسم در حال حرکت نیاز است.

اصطکاک خشک و تر

اصطکاک خشک، به اصطکاکی گفته می شود که بین دو جسم وجود دارد بدون این که ماده ی دیگری مانند آب و یا روغن بین آن ها وجود داشته باشد. اما در اصطکاک تر، بین این دو سطح جسم سوم آب و یا روغن وجود دارد.

عملکرد اصطکاک

برخی معتقدند که علت این که بین دو جسم، اصطکاک ایجاد می شود، جوش سرد است. باردار شدن اجسام در هنگام ایجاد اصطکاک نشان دهنده ارتباط بین نیروی الکترومغناطیسی با اصطکاک است. از این جمله، مالیدن پارچه به شیشه و یا تماسی است که بین ابرها ایجاد می شود.

ضریب اصطکاک

مقدار نیرویی که عمودی بخش بر نیروی اصطکاک است به نام ضریب اصطکاک است که یک مقدار ثابت، برای هر ماده است. این نکته بر طبق قانون کولن بیان می شود. فشار تماس، دما، سرعت لغزش و تعداد چرخه های بارگذاری از مواردی هستند که ضریب اصطکاک را تحت تاثیر قرار می دهند.

فرمول نیروی اصطکاک

نیروی اصطکاک زمانی ایجاد می شود که دو سطح در تماس با یکدیگر قرار می گیرند تا در یک جهت یا در جهت مخالف حرکت کنند. در واقع اصطکاک نیرویی است که در برابر حرکت جسمی که در تماس قرار می گیرد و روی هم می لغزد مخالف یا مقاومت می کند. بنابراین، نیروی اصطکاک یک نیروی تماسی است. نیروهای اصطکاک عمدتاً تحت تأثیر بافت سطح اجسامی که با یکدیگر در تماس هستند و میزان نیروی وارد شده به آنها است.

نیروی اصطکاک نیرویی است که هنگام برخورد دو سطح با یکدیگر و لغزش روی یکدیگر ایجاد می شود. این نیروها عمدتاً تحت تأثیر زبری سطح و مقدار نیروی مورد نیاز هنگام ترکیب قرار می گیرند. موقعیت جسم، زاویه نیروی وارده و غیره از عواملی هستند که تاثیر زیادی بر نیروی اصطکاک دارند. هنگامی که جسمی را در برابر سطح جسم دیگر به سمت بالا هل می دهیم، نیروی اصطکاک افزایش می یابد و از وزن جسم تحت فشار بیشتر می شود. فرمول نیروی اصطکاک

حداکثر نیروی اصطکاک اعمال شده بر روی یک جسم توسط یک سطح را می توان به راحتی با فرمول زیر محاسبه کرد:

اصطکاک = μ× N

جایی که،

µ ضریب اصطکاک است و

N به نیروی عادی اعمال شده بر جسم مذکور اشاره دارد که به صورت N = mg (که m جرم و g شتاب ناشی از گرانش است).

از آنجایی که نیروی اصطکاک نیرویی است که بر جسم وارد می شود، واحد و بعد نیروی اصطکاک همان نیرو است. واحد نیروی اصطکاک kg.m/s2 یا نیوتن (N) است.

هر ماده بسته به زبری سطح آن ضریب اصطکاک متفاوتی خواهد داشت. به عنوان مثال، اگر لیوان را روی شیشه بلغزانید، می توانید به راحتی و بدون هیچ تکانی در حرکت سر بخورید. در عین حال، اگر یک تکه شیشه را روی یک جاده یا هر سطح ناتمام بلغزانید، حرکت صاف نخواهد بود و تغییر نیرو را مشاهده می کنید.