1. تعريف قوة الاحتكاك
الاحتكاك هو قوة مقاومة تحدث بين أسطح الأجسام المتلامسة. في هذا الموضوع، ترتبط قوة الاحتكاك المدروسة بقوة الاحتكاك المؤثرة بين سطحين صلبين متلامسين، مثل الاحتكاك بين قاعدة العارضة وسطح الأرض، والاحتكاك بين قاعدة الحذاء وسطح الأرض، والاحتكاك بين عجلات السيارة وسطح الطريق.
تؤثر قوة الاحتكاك دائمًا على سطح الأجسام الصلبة المتلامسة، حتى وإن كانت هذه الأجسام ناعمة جدًا. فحتى الأسطح الناعمة تكون خشنة جدًا على المستوى المجهري. وعندما يتحرك جسم ما، تعيق هذه النتوءات المجهرية حركته. على المستوى الذري، يتسبب بروز على السطح في تقارب الذرات من بعضها، مما يسمح للقوى الكهربائية بين الذرات بتكوين روابط كيميائية، كما في حالة اتحاد سطحين لجسم متحرك. فعندما يتحرك جسم ما، مثلاً عند دفع كتاب على سطح طاولة، يواجه الكتاب عوائق في حركته ويتوقف في النهاية. ويعود ذلك إلى تكوين الرابطة وانفصالها.
عندما يحتك سطح جسم بسطح جسم آخر، فإن كليهما يبذل قوة احتكاك. وتكون قوة الاحتكاك المؤثرة على الجسم المتحرك دائمًا في الاتجاه المعاكس لاتجاه حركته. إضافةً إلى تثبيط حركة الأجسام، يُمكن أن يُسبب الاحتكاك التآكل والتلف. يُمكننا ملاحظة ذلك في محرك السيارة. على سبيل المثال، عندما نُزوّد محرك دراجة نارية بزيت التشحيم، فإننا في الواقع نريد تقليل قوة الاحتكاك داخله. إذا لم يُزوّد المحرك بزيت التشحيم، فسيتلف بسرعة. هذا المثال هو أحد الخسائر الناجمة عن الاحتكاك.
2. أنواع قوى الاحتكاك
هناك نوعان من قوى الاحتكاك، وهما قوة الاحتكاك السكوني (f<sub> s</sub> ) وقوة الاحتكاك الحركي (f<sub> k</sub> ). تعمل قوة الاحتكاك السكوني عندما يكون الجسم ساكنًا، بينما تعمل قوة الاحتكاك الحركي عندما يكون الجسم متحركًا. إذا دفعت طاولة وهي ساكنة، فإن قوة الاحتكاك المؤثرة عليها هي قوة احتكاك سكوني. أما عندما تكون الطاولة متحركة، فإن قوة الاحتكاك المؤثرة عليها هي قوة احتكاك حركي. إذا لم تُدفع الطاولة المتحركة باستمرار، فإنها ستتوقف بعد فترة من الحركة. ويعود سبب توقفها إلى قوة الاحتكاك الحركي التي تعيق حركتها.
هل سبق لك أن انزلقت عند المشي على سطح أملس؟ عند الانزلاق، تكون قوة الاحتكاك بين قاعدة الحذاء أو نعل الصندل والسطح الأملس هي قوة الاحتكاك الحركي. يشبه هذا الأمر ما يحدث عند قيادة دراجة نارية أو سيارة على طريق مبلل وأملس، حيث يتم الضغط على المكابح حتى ينزلق الإطار. عند انزلاق الإطارات، تكون قوة الاحتكاك بين سطح الإطار وسطح الطريق هي قوة الاحتكاك الحركي. في المقابل، عند المشي، تكون قوة الاحتكاك بين قاعدة الحذاء أو نعل الصندل وسطح الأرض هي قوة الاحتكاك السكوني. وبالمثل، عندما لا تنزلق الإطارات، تكون قوة الاحتكاك بين سطح الإطار وسطح الطريق هي قوة الاحتكاك السكوني.
2.1 قوة الاحتكاك الساكن
قوة الاحتكاك الساكن هي قوة الاحتكاك التي تؤثر على سطح الأجسام التي تتلامس مع بعضها البعض عندما لا تكون الأجسام قد تحركت بعد.
يوضح الشكل 1 جسمًا لا يزال على سطح مستوٍ. إذا لم يتحرك الجسم بعد، فإن قوة الاحتكاك السكوني (fs) تكون أصغر من قوة السحب (F). إذا استمر السحب، فسيتحرك الجسم. وعندما يتحرك الجسم، تزداد قوة الاحتكاك السكوني (fs).s) يساوي مقدار قوة السحب (F).
ينص قانون نيوتن الأول على أن الأجسام تكون في حالة سكون إذا كانت القوة الكلية (القوة المحصلة) تساوي صفرًا.
ΣF y = 0 (الجسم ساكن ولا يتحرك في الاتجاه الرأسي)
N – w = 0
N = w (1.2)
استبدل N في المعادلة 1.1 بـ N في المعادلة 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = الاحتكاك السكوني (نيوتن)، μs = معامل الاحتكاك السكوني، N = القوة العمودية (نيوتن)، w = الجاذبية (نيوتن)، m = الكتلة (كجم)، g = تسارع الجاذبية (م/ ث² )
إذا كنت ترغب في تحديد معامل الاحتكاك السكوني، فاستخدم المعادلة 1.1 ب
Σf x = 0 (الجسم ساكن ولا يتحرك في الاتجاه الأفقي)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
عندما يبدأ الجسم في الحركة، فإن أقصى قوة احتكاك سكوني تساوي مقدار قوة الدفع أو السحب.
2.2 قوة الاحتكاك الحركي
قوة الاحتكاك الحركي هي قوة الاحتكاك التي تؤثر على سطح الأجسام التي تتلامس مع بعضها البعض عندما يتحرك الجسم.
إذا كنت ترغب في تحديد معامل الاحتكاك الحركي (μk ) ، فاستخدم المعادلة 1.5 ب
يوضح الشكل 2 جسماً يُسحب بانتظام بحيث يتحرك بسرعة ثابتة. عند الحركة بسرعة ثابتة، تتساوى قوة الاحتكاك الحركي (fk) مع قوة السحب (F).
ينص قانون نيوتن الأول على أن الجسم يتحرك بسرعة ثابتة إذا كانت القوة الكلية (القوة المحصلة) تساوي صفرًا.
ΣF x = 0 (تتحرك الأجسام بسرعة ثابتة في الاتجاه الأفقي)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
مثال توضيحي 1:
يسحب طالب عارضة كتلتها 1 كجم موضوعة على سطح طاولة باستخدام دينامومتر (جهاز قياس القوة). عندما تتحرك العارضة، يُشير الدينامومتر إلى 2 نيوتن. إذا كان تسارع الجاذبية الأرضية = 10 م/ث² ، فحدد (أ) مقدار قوة الاحتكاك السكوني (ب) معامل الاحتكاك السكوني
حل:
المعطيات : الكتلة = 1 كجم، القوة = 2 نيوتن، تسارع الجاذبية الأرضية = 10 م/ث² ، الوزن = الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية = 10 نيوتن
(أ) f s
عندما يتحرك العارضة، فإن مقدار قوة الاحتكاك السكوني يساوي مقدار قوة السحب (قارن المعادلة 1.4). إذن، f s = F = 2 نيوتن.
(ب) μ s
f s = μ s w
2 نيوتن = (μ ثانية )(10 نيوتن)
μ s = 2 N / 10 N = 0.2
مثال توضيحي 2:
يُسحب عارضة كتلتها 1 كجم موضوعة فوق سطح طاولة بانتظام بحيث تتحرك العارضة بسرعة ثابتة. عندما تتحرك العارضة بسرعة ثابتة، يُشير مقياس القوة إلى 1 نيوتن. إذا كان تسارع الجاذبية الأرضية = 10 م/ث² ، فحدد: (أ) مقدار قوة الاحتكاك الحركي، (ب) معامل الاحتكاك الحركي.
حل:
المعطيات: الكتلة = 1 كجم، تسارع الجاذبية الأرضية = 10 م/ث² ، القوة = 1 نيوتن، الوزن = 10 كجم/م² = 2 نيوتن
(أ) f k
عندما يتحرك الشعاع بانتظام أو يتحرك بسرعة ثابتة، فإن مقدار قوة الاحتكاك الحركي = مقدار قوة السحب (قارن المعادلة 1.6).
إذن f k = F = 1 نيوتن
(ب) μ k
f k = μ k w
1 نيوتن = (μ k )(10 نيوتن)
μ k = 1 نيوتن / 10 نيوتن = 0.1
