۱. تعریف نیروی اصطکاک
اصطکاک نیروی کششی است که بین سطوح اجسامی که با یکدیگر در تماس هستند، عمل می‌کند. در این مبحث، نیروی اصطکاک مورد مطالعه مربوط به نیروی اصطکاکی است که بین دو سطح جسم جامد که با هم در تماس هستند، عمل می‌کند. مانند اصطکاک بین پایه تیر و سطح کف، اصطکاک بین پایه کفش و سطح کف، اصطکاک بین چرخ‌های ماشین و سطح جاده.
نیروی اصطکاک همیشه روی سطح اجسام جامدی که با یکدیگر در تماس هستند، عمل می‌کند، حتی اگر اجسام بسیار صاف باشند. حتی سطوح صاف نیز در مقیاس میکروسکوپی بسیار ناهموار هستند. وقتی جسمی حرکت می‌کند، این برآمدگی‌های میکروسکوپی در حرکت اختلال ایجاد می‌کنند. در سطح اتمی، یک برآمدگی روی سطح باعث می‌شود اتم‌ها بسیار به سطوح دیگر نزدیک شوند، به طوری که نیروهای الکتریکی بین اتم‌ها می‌توانند پیوندهای شیمیایی تشکیل دهند، مانند اتحادی بین دو سطح یک جسم متحرک. وقتی جسمی حرکت می‌کند، به عنوان مثال وقتی کتابی را روی سطح میز هل می‌دهید، حرکت کتاب با موانعی مواجه می‌شود و در نهایت متوقف می‌شود. این به دلیل تشکیل و آزادسازی پیوند است.
اگر سطح یک جسم به سطح جسم دیگری ساییده شود، هر یک از این اجسام بر اساس اصطکاک بین یکدیگر عمل می‌کنند. نیروی اصطکاک روی جسم متحرک همیشه در جهت مخالف جهت حرکت جسم است. اصطکاک علاوه بر جلوگیری از حرکت اجسام، می‌تواند باعث سایش و آسیب شود. ما می‌توانیم این را در موتور خودرو مشاهده کنیم. به عنوان مثال، وقتی روغن روان‌کننده را به موتور موتورسیکلت می‌دهیم، در واقع می‌خواهیم نیروی اصطکاکی را که در داخل موتور رخ می‌دهد کاهش دهیم. اگر روغن روان‌کننده به موتور داده نشود، موتور وسیله نقلیه ما به سرعت آسیب می‌بیند. این مثال یکی از تلفات ناشی از اصطکاک است.
2. انواع نیروهای اصطکاک
دو نوع نیروی اصطکاک وجود دارد، یعنی نیروی اصطکاک ایستایی (fs ) و نیروی اصطکاک جنبشی (fk ) . نیروی اصطکاک ایستایی زمانی عمل می‌کند که جسم حرکت نکرده باشد، در حالی که نیروی اصطکاک جنبشی زمانی عمل می‌کند که جسم در حال حرکت است. اگر شما میزی را هل دهید، اما میز حرکت نکرده باشد، نیروی اصطکاکی که بر روی میز ساکن وارد می‌شود، نیروی اصطکاک ایستایی است. برعکس، وقتی میز در حال حرکت است، نیروی اصطکاکی که بر روی میز وارد می‌شود، اصطکاک جنبشی است. اگر میز متحرک همیشه هل داده نشود، میز پس از مدتی حرکت متوقف می‌شود. میز به دلیل نیروی اصطکاک جنبشی که مانع حرکت میز می‌شود، متوقف می‌شود.
آیا تا به حال هنگام قدم گذاشتن روی چیزی صاف لیز خورده‌اید؟ وقتی لیز می‌خورید، نیروی اصطکاکی که بین کف کفش یا کف صندل با سطح صاف عمل می‌کند، اصطکاک جنبشی است. این مشکل مشابه زمانی است که یک موتورسیکلت یا ماشین روی سطح جاده مرطوب و صاف حرکت می‌کند و ترمز می‌کند تا چرخ لیز بخورد. وقتی چرخ‌ها لیز می‌خورند، نیروی اصطکاکی که روی سطح چرخ و سطح جاده عمل می‌کند، نیروی اصطکاک جنبشی است. برعکس، وقتی راه می‌روید، نیروی اصطکاکی که بین کف کفش یا کف صندل با سطح کف زمین عمل می‌کند، نیروی اصطکاک استاتیک است. به همین ترتیب، وقتی چرخ‌ها لیز نمی‌خورند، نیروی اصطکاکی که روی سطح چرخ و جاده عمل می‌کند، اصطکاک استاتیک است.
۲.۱ نیروی اصطکاک ایستایی
نیروی اصطکاک ایستایی، نیروی اصطکاکی است که بر روی سطح اجسامی که هنوز حرکت نکرده‌اند و با هم در تماس هستند، وارد می‌شود.
شکل ۱ جسمی را نشان می‌دهد که هنوز روی سطح یک صفحه صاف قرار دارد. اگر جسم هنوز حرکت نکرده باشد، نیروی اصطکاک ایستایی (fs) کوچکتر از نیروی کشش (F) است. اگر کشش ادامه یابد، جسم حرکت خواهد کرد. وقتی جسم سمت راست حرکت کند، بزرگی نیروی اصطکاک ایستایی (f)s) برابر با بزرگی نیروی کشش (F) است.
قانون اول نیوتن بیان می‌کند که اگر نیروی کل (نیروی برآیند) صفر باشد، اجسام در حالت سکون هستند.
ΣF y = 0 (جسم ساکن است و در جهت عمودی حرکت نمی‌کند)
شمال – عرض = ۰
N = w (1.2)
N در معادله ۱.۱ را با N در معادله ۱.۲ جایگزین کنید
fs = μs w
fs = μs بر میلی‌لیتر (1.3)
fs = اصطکاک ایستایی (N)، μs = ضریب اصطکاک ایستایی، N = نیروی عمودی (N)، w = گرانش (N)، m = جرم (kg)، g = شتاب گرانش (m/ s² )
اگر می‌خواهید ضریب اصطکاک ایستایی را تعیین کنید، از معادله ۱.۱ ب استفاده کنید.
Σfx = 0 (جسم ساکن است و در جهت افقی حرکت نمی‌کند)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
وقتی جسم شروع به حرکت می‌کند، حداکثر نیروی اصطکاک ایستایی برابر با بزرگی نیروی رانش یا کشش است.
۲.۲ نیروی اصطکاک جنبشی
نیروی اصطکاک جنبشی، نیروی اصطکاکی است که هنگام حرکت یک جسم، بر سطح اجسامی که با یکدیگر تماس دارند، وارد می‌شود.
اگر می‌خواهید ضریب اصطکاک جنبشی (μ k ) را تعیین کنید، از معادله ۱.۵ ب استفاده کنید.
شکل ۲ جسمی را نشان می‌دهد که به طور منظم کشیده می‌شود، به طوری که جسم با سرعت ثابت حرکت می‌کند. هنگام حرکت با سرعت ثابت، بزرگی نیروی اصطکاک جنبشی (fk) برابر با بزرگی نیروی کشش (F) است.
قانون اول نیوتن بیان می‌کند که اگر نیروی کل (نیروی برآیند) صفر باشد، یک جسم با سرعت ثابت حرکت می‌کند.
ΣF x = 0 (اشیاء با سرعت ثابت در جهت افقی حرکت می‌کنند)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
نمونه سوال ۱:
دانش‌آموزی با استفاده از دینامومتر (وسیله اندازه‌گیری نیرو)، تیری به جرم ۱ کیلوگرم را که روی سطح میز قرار دارد، می‌کشد. وقتی تیر حرکت می‌کند، دینامومتر عدد ۲ N را نشان می‌دهد. اگر شتاب گرانش = ۱۰ متر بر ثانیه مربع باشد ، (الف) بزرگی نیروی اصطکاک ایستایی (ب) ضریب اصطکاک ایستایی را تعیین کنید.
راه حل:
شناخته شده : m = 1 kg، F = 2 N، g = 10 m/s² ، w = mg = 10 N
(الف) ف س
وقتی تیر حرکت می‌کند، بزرگی نیروی اصطکاک ایستایی برابر است با بزرگی نیروی کشش (معادله ۱.۴ را مقایسه کنید). بنابراین، fs = F = 2 N.
(ب) میکروثانیه
fs = μs w
2 نیوتن = (μ ثانیه )(10 نیوتن)
μ s = 2 N / 10 N = 0.2
نمونه سوال ۱:
تیری به جرم ۱ کیلوگرم که بالای سطح میز قرار دارد، به طور منظم کشیده می‌شود تا تیر با سرعت ثابت حرکت کند. وقتی تیر با سرعت ثابت حرکت می‌کند، دینامومتر عدد ۱ نیوتن را نشان می‌دهد. اگر شتاب گرانش = ۱۰ متر بر ثانیه مربع باشد، (الف) بزرگی نیروی اصطکاک جنبشی (ب) ضریب اصطکاک جنبشی را تعیین کنید.
راه حل:
شناخته شده: m = 1 kg، g = 10 m/s² ، F = 1 N، w = mg = 10 N
(الف) ف ک
وقتی تیر به طور منظم حرکت می‌کند یا با سرعت ثابت حرکت می‌کند، بزرگی نیروی اصطکاک جنبشی = بزرگی نیروی کشش (معادله ۱.۶ را مقایسه کنید).
بنابراین f k = F = 1 N
(ب) میکروکیلووات
f k = μ k w
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
