แรงเสียดทาน

1. นิยามของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานคือแรงต้านที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวของวัตถุที่สัมผัสกัน ในหัวข้อนี้ แรงเสียดทานที่ศึกษาเกี่ยวข้องกับแรงเสียดทานที่กระทำระหว่างพื้นผิวของวัตถุแข็งสองชิ้นที่สัมผัสกัน เช่น แรงเสียดทานระหว่างฐานของคานกับพื้น แรงเสียดทานระหว่างฐานรองเท้ากับพื้น แรงเสียดทานระหว่างล้อรถกับพื้นถนน

แรงเสียดทานเกิดขึ้นเสมอที่พื้นผิวของวัตถุแข็งที่สัมผัสกัน แม้ว่าวัตถุเหล่านั้นจะเรียบมากก็ตาม แม้แต่พื้นผิวที่เรียบก็ยังมีความขรุขระมากในระดับจุลภาค เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ สันนูนขนาดเล็กเหล่านี้จะขัดขวางการเคลื่อนที่ ในระดับอะตอม ส่วนที่ยื่นออกมาบนพื้นผิวทำให้อะตอมอยู่ใกล้กับพื้นผิวอื่นมาก จนแรงไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมสามารถสร้างพันธะเคมีได้ เป็นการรวมตัวกันระหว่างสองพื้นผิวของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ เช่น เมื่อคุณผลักหนังสือบนพื้นผิวโต๊ะ การเคลื่อนที่ของหนังสือจะพบกับสิ่งกีดขวางและหยุดลงในที่สุด นี่เป็นเพราะการก่อตัวและการคลายตัวของพันธะ

หากพื้นผิวของวัตถุหนึ่งเสียดสีกับพื้นผิวของวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง วัตถุทั้งสองจะเกิดแรงเสียดทานระหว่างกัน แรงเสียดทานที่กระทำต่อวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่นั้นจะมีทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอ นอกจากจะขัดขวางการเคลื่อนที่ของวัตถุแล้ว แรงเสียดทานยังสามารถก่อให้เกิดการสึกหรอและความเสียหายได้ เราสามารถสังเกตได้จากเครื่องยนต์ของยานพาหนะ ตัวอย่างเช่น เมื่อเราเติมน้ำมันหล่อลื่นให้กับเครื่องยนต์ของรถจักรยานยนต์ เราต้องการลดแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นภายในเครื่องยนต์ หากไม่เติมน้ำมันหล่อลื่น เครื่องยนต์ของยานพาหนะจะเสียหายอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างนี้เป็นหนึ่งในความสูญเสียที่เกิดจากแรงเสียดทาน

2. ประเภทของ แรงเสียดทาน

แรงเสียดทานมีสองประเภท ได้แก่ แรงเสียดทานสถิต (f_{_s} ) และแรงเสียดทานจลน์ (f_{_k} ) แรงเสียดทานสถิตเกิดขึ้นเมื่อวัตถุหยุดนิ่ง ในขณะที่แรงเสียดทานจลน์เกิดขึ้นเมื่อวัตถุกำลังเคลื่อนที่ หากคุณผลักโต๊ะ แต่โต๊ะหยุดนิ่ง แรงเสียดทานที่กระทำต่อโต๊ะที่หยุดนิ่งนั้นคือแรงเสียดทานสถิต ในทางกลับกัน เมื่อโต๊ะกำลังเคลื่อนที่ แรงเสียดทานที่กระทำต่อโต๊ะนั้นคือแรงเสียดทานจลน์ หากโต๊ะที่กำลังเคลื่อนที่ไม่ได้ถูกผลักอยู่ตลอดเวลา โต๊ะจะหยุดหลังจากเคลื่อนที่ไปได้สักพัก โต๊ะหยุดเนื่องจากแรงเสียดทานจลน์ที่ต้านการเคลื่อนที่ของโต๊ะ

เคยลื่นล้มเวลาเหยียบอะไรเรียบๆ ไหม? เวลาลื่น แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นรองเท้าหรือพื้นรองเท้าแตะกับพื้นผิวเรียบเรียกว่า แรงเสียดทานจลน์ ปัญหานี้คล้ายกับเวลาที่รถจักรยานยนต์หรือรถยนต์วิ่งบนถนนเปียกและเรียบ แล้วเบรกจนล้อลื่น เมื่อล้อลื่น แรงเสียดทานที่กระทำต่อพื้นผิวล้อกับพื้นถนนเรียกว่า แรงเสียดทานจลน์ ในทางกลับกัน เมื่อคุณเดิน แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นรองเท้าหรือพื้นรองเท้าแตะกับพื้นเรียกว่า แรงเสียดทานสถิต เช่นเดียวกัน เมื่อล้อไม่ลื่น แรงเสียดทานที่กระทำต่อพื้นผิวล้อกับพื้นถนนเรียกว่า แรงเสียดทานสถิต

2.1 แรงเสียดทานสถิต

แรงเสียดทานสถิต คือ แรงเสียดทานที่กระทำต่อพื้นผิวของวัตถุที่สัมผัสกัน ในขณะที่วัตถุยังไม่เคลื่อนที่

ภาพที่ 1 แสดงวัตถุที่ยังคงอยู่บนพื้นผิวระนาบ หากวัตถุยังไม่เคลื่อนที่ แรงเสียดทานสถิต (fs) จะมีค่าน้อยกว่าแรงดึง (F) หากวัตถุยังคงถูกดึงต่อไป วัตถุจะเคลื่อนที่ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ ขนาดของแรงเสียดทานสถิต (f) จะมีค่ามากขึ้น_s) เท่ากับขนาดของแรงดึง (F)

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันกล่าวว่า วัตถุจะหยุดนิ่งหากแรงรวม (แรงลัพธ์) เป็นศูนย์

ΣF _y = 0 (วัตถุหยุดนิ่งและไม่เคลื่อนที่ในแนวดิ่ง)

N – w = 0

N = w (1.2)

แทนที่ N ในสมการ 1.1 ด้วย N ในสมการ 1.2

f _s = μ _s w

f _s = μ _s mg (1.3)

fs = แรงเสียดทานสถิต (N), μs = สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต, N = แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก (N), w = แรงโน้มถ่วง (N), m = มวล (kg), g = ความเร่งโน้มถ่วง (m/ ^s² )

ถ้าคุณต้องการหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต ให้ใช้สมการ 1.1 ข

Σf _x = 0 (วัตถุหยุดนิ่งและไม่เคลื่อนที่ในแนวนอน)

F – f _s = 0

F = f _s (1.4)

เมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ แรงเสียดทานสถิตสูงสุดจะมีขนาดเท่ากับแรงผลักหรือแรงดึง

2.2 แรงเสียดทานจลน์

แรงเสียดทานจลน์ คือ แรงเสียดทานที่กระทำต่อพื้นผิวของวัตถุที่สัมผัสกันขณะที่วัตถุนั้นกำลังเคลื่อนที่

ถ้าคุณต้องการหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ (μk ₎ให้ใช้สมการ 1.5b

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นวัตถุที่ถูกดึงอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ขนาดของแรงเสียดทานจลน์ (fk) จะเท่ากับขนาดของแรงดึง (F)

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตันกล่าวว่า วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ก็ต่อเมื่อแรงรวม (แรงลัพธ์) เป็นศูนย์

ΣF _x = 0 (วัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ในทิศทางแนวนอน)

F – f _k = 0

F = f _k (1.6)

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 1:

นักเรียนคนหนึ่งดึงคานที่มีมวล 1 กิโลกรัม ซึ่งวางอยู่บนพื้นโต๊ะ โดยใช้เครื่องวัดแรง (ไดนาโมมิเตอร์) เมื่อคานเริ่มเคลื่อนที่ เครื่องวัดแรงแสดงค่า 2 นิวตัน ถ้าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเท่ากับ 10 เมตร/วินาที^²จงหา (ก) ขนาดของแรงเสียดทานสถิต และ (ข) สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต

วิธีการแก้:

ทราบค่า : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² ^, w = mg = 10 N

(ก) เอฟ เอ_ส

เมื่อคานเคลื่อนที่ ขนาดของแรงเสียดทานสถิตจะเท่ากับขนาดของแรงดึง (เปรียบเทียบกับสมการ 1.4) ดังนั้น f _s = F = 2 N

(b) _μs

f _s = μ _s w

2 N = (μ _s )(10 N)

μs = 2 N / 10 N = _0.2

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 2:

คานมวล 1 กิโลกรัมวางอยู่เหนือพื้นโต๊ะถูกดึงอย่างสม่ำเสมอจนคานเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เมื่อคานเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เครื่องวัดแรงแสดงค่า 1 นิวตัน ถ้าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเท่ากับ 10 เมตร/วินาที^²จงหา (ก) ขนาดของแรงเสียดทานจลน์ และ (ข) สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์

วิธีการแก้:

ทราบค่า: m = 1 kg, g = 10 m/s² ^, F = 1 N, w = mg = 10 N

(ก) ฟ_เค

เมื่อคานเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ขนาดของแรงเสียดทานจลน์จะเท่ากับขนาดของแรงดึง (เปรียบเทียบกับสมการ 1.6)

ดังนั้น f _k = F = 1 N

(b) μ _k

f _k = μ _k w

1 N = (μ _k )(10 N)

μ _k = 1 N / 10 N = 0.1