1. הגדרת כוח חיכוך
חיכוך הוא כוח גרירה הפועל בין משטחי עצמים הנוגעים זה בזה. בנושא זה, כוח החיכוך הנלמד קשור לכוח החיכוך הפועל בין שני משטחי גוף מוצק הנוגעים זה בזה. כגון חיכוך בין בסיס הקורה למשטח הרצפה, חיכוך בין בסיס הנעל למשטח הרצפה, חיכוך בין גלגלי המכונית למשטח הכביש.
כוח החיכוך פועל תמיד על פני השטח של עצמים מוצקים הנוגעים זה בזה, למרות שהם חלקים מאוד. אפילו משטחים חלקים הם למעשה מחוספסים מאוד בקנה מידה מיקרוסקופי. כאשר עצם נע, רכסים מיקרוסקופיים אלה מפריעים לתנועה. ברמה האטומית, בליטה על פני השטח גורמת לאטומים להיות קרובים מאוד למשטחים אחרים, כך שהכוחות החשמליים בין האטומים יכולים ליצור קשרים כימיים, כאיחוד בין שני משטחים של עצם נע. כאשר עצם נע, למשל כאשר דוחפים ספר על פני השולחן, תנועת הספר נתקלת במכשולים ולבסוף נעצרת. זאת בשל היווצרות ושחרור הקשר.
אם פני השטח של עצם מתחככים בפני השטח של עצם אחר, כל אחד מהעצמים הללו פועל על חיכוך זה בזה. כוח החיכוך על העצם הנע הוא תמיד בכיוון ההפוך לכיוון תנועת העצם. בנוסף לעיכוב תנועת העצמים, חיכוך יכול לגרום לבלאי ולנזק. אנו יכולים לראות זאת על מנוע הרכב. לדוגמה, כאשר אנו מספקים שמן סיכה למנוע אופנוע, אנו רוצים למעשה להפחית את כוח החיכוך המתרחש בתוך המנוע. אם לא מספקים לו שמן סיכה, מנוע הרכב שלנו ניזוק במהירות. דוגמה זו היא אחת מההפסדים הנגרמים מחיכוך.
2. סוגי כוחות חיכוך
ישנם שני סוגים של כוחות חיכוך, כלומר כוח החיכוך הסטטי (fs ) וכוח החיכוך הקינטי (fk ) . כוח החיכוך הסטטי פועל כאשר העצם לא זז, בעוד שכוח החיכוך הקינטי פועל כאשר העצם זז. אם דוחפים שולחן, אך השולחן לא זז, אז כוח החיכוך הפועל על השולחן שנמצא במנוחה הוא כוח חיכוך סטטי. לעומת זאת, כאשר השולחן זז, כוח החיכוך הפועל על השולחן הוא חיכוך קינטי. אם השולחן הנע לא נדחף כל הזמן, השולחן יעצור לאחר תנועה לזמן מה. השולחן עוצר עקב כוח החיכוך הקינטי שחוסם את תנועת השולחן.
החלקת פעם כשדרכת על משהו חלק? כשאתה מחליק, כוח החיכוך שפועל בין בסיס הנעל לתחתית סנדל עם משטח חלק הוא חיכוך קינטי. בעיה זו דומה לבעיה שבה אופנוע או מכונית נעים על פני כביש רטוב וחלק, בולמים עד שהגלגל מחליק. כאשר הגלגלים מחליקים, כוח החיכוך הפועל על פני הגלגל ועל פני הכביש הוא כוח חיכוך קינטי. לעומת זאת, כשאתה הולך, כוח החיכוך שפועל בין בסיס הנעל או תחתית הסנדל לבין פני השטח הוא כוח חיכוך סטטי. באופן דומה, כאשר הגלגלים אינם מחליקים, כוח החיכוך הפועל על פני הגלגל ועל הכביש הוא חיכוך סטטי.
2.1 כוח חיכוך סטטי
כוח החיכוך הסטטי הוא כוח חיכוך הפועל על פני השטח של עצמים הנוגעים זה בזה כאשר עצמים עדיין לא זזו.
איור 1 מציג עצם שעדיין נמצא על פני השטח של מישור ישר. אם העצם עדיין לא זז, אז כוח החיכוך הסטטי (fs) קטן מכוח המשיכה (F). אם הוא ממשיך להימשך, אז העצם יזוז. כאשר העצם הימני יזוז, גודל כוח החיכוך הסטטי (fs) שווה לגודל כוח המשיכה (F).
החוק הראשון של ניוטון קובע שעצמים נמצאים במנוחה אם הכוח הכולל (הכוח המתקבל) הוא אפס.
ΣF y = 0 (העצם נח ואינו זז בכיוון אנכי)
N – w = 0
N = w (1.2)
החלף את N במשוואה 1.1 ב-N במשוואה 1.2
fs = μs w
fs = μs mg ( 1.3)
fs = חיכוך סטטי (N), μs = מקדם החיכוך הסטטי, N = כוח נורמלי (N), w = כוח הכבידה (N), m = מסה (ק"ג), g = תאוצת הכבידה (מטר/שנייה 2 )
אם ברצונך לקבוע את מקדם החיכוך הסטטי, השתמש במשוואה 1.1 ב'.
Σf x = 0 (העצם נח ואינו זז בכיוון האופקי)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
כאשר גוף מתחיל לנוע, כוח החיכוך הסטטי המקסימלי שווה לגודל כוח הדחיפה או המשיכה.
2.2 כוח חיכוך קינטי
כוח החיכוך הקינטי הוא כוח החיכוך הפועל על פני השטח של עצמים הנוגעים זה בזה כאשר גוף נע.
אם ברצונך לקבוע את מקדם החיכוך הקינטי (μk ) , השתמש במשוואה 1.5b
איור 2 מציג עצם הנמשך באופן קבוע כך שהעצם נע במהירות קבועה. כאשר הוא נע במהירות קבועה, גודל כוח החיכוך הקינטי (fk) שווה לגודל כוח המשיכה (F).
החוק הראשון של ניוטון קובע שגוף נע במהירות קבועה אם הכוח הכולל (הכוח המתקבל) הוא אפס.
ΣF x = 0 (עצמים נעים במהירות קבועה בכיוון האופקי)
F – fk = 0
F = fk ( 1.6)
בעיה לדוגמה 1:
תלמיד מושך קורה עם מסה של 1 ק"ג הממוקמת על משטח השולחן באמצעות דינמומטר (מכשיר למדידת כוח). כאשר הקורה תנועה, הדינמומטר מציג את המספר 2 ניוטון. אם תאוצת הכבידה = 10 מטר/שנייה 2 , קבע (א) את גודל כוח החיכוך הסטטי (ב) את מקדם החיכוך הסטטי.
פתרון:
ידוע : m = 1 ק"ג, F = 2 ניוטון, g = 10 מטר/שנייה 2 , w = מ"ג = 10 ניוטון
(א) f s
כאשר הקורה תנוע, גודל כוח החיכוך הסטטי הוא גודל כוח המשיכה (השווה את משוואה 1.4). לכן, fs = F = 2 N.
(ב) מיקרו- שניות
fs = μs w
2 N = (μ s )(10 N)
μs = 2 ניוטון / 10 ניוטון = 0.2
בעיה לדוגמה 2:
קורה בעלת מסה של 1 ק"ג הממוקמת מעל משטח השולחן נמשכת באופן קבוע כך שהקורה נעה במהירות קבועה. כאשר הקורה נעה במהירות קבועה, הדינמומטר מראה את המספר 1 ניוטון. אם תאוצת הכבידה = 10 מטר/שנייה 2 , קבע (א) את גודל כוח החיכוך הקינטי (ב) את מקדם החיכוך הקינטי
פתרון:
ידוע: m = 1 ק"ג, g = 10 מטר/שנייה 2 , F = 1 ניוטון, w = mg = 10 ניוטון
(א) פ ק
כאשר הקורה נעה באופן קבוע או במהירות קבועה, גודל כוח החיכוך הקינטי = גודל כוח המשיכה (השווה משוואה 1.6).
אז fk = F = 1N
(ב) מיקרו- קל
fk = μkw
1 ניוטון = (μk ) (10 ניוטון)
μk = 1 ניוטון / 10 ניוטון = 0.1
