اصطکاک چیست؟ — به زبان ساده

هنگامی که به توپی بر روی زمین ضربه می‌زنید، توپ پس از طی مسافت مشخصی می‌ایستد. برای توقف اجسام متحرک، باید نیرویی در خلاف جهت حرکت بر آن‌ها وارد شود. به نیرویی که با حرکت اجسام مخالفت می‌کند اصطکاک گفته می‌شود. در این مطلب، به پرسش اصطکاک چیست پاسخ داده می‌شود و در ادامه، انواع نیروهای اصطکاک با ذکر مثال‌های کاربردی توضیح داده خواهد شد.

اصطکاک چیست ؟

به نیروی بین دو سطحی که بر روی یکدیگر می‌لغزند، اصطکاک گفته می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که کتابی را بر روی میزی هل می‌دهید یا می‌کشید، اصطکاک بین کتاب و میز، انجام این کار را کمی سخت خواهد کرد. نکات کلی زیر در مورد نیروی اصطکاک وجود دارند:

• اصطکاک همواره در جهتی مخالف جهت حرکت جسم متحرک وارد خواهد شد. در نتیجه، حرکت جسم کند خواهد شد.
• نیروی اصطکاک مانند نیروهای بنیادی همچون نیروی گرانشی یا الکترومغناطیسی رفتار نخواهد کرد. در واقع، اصطکاک نتیجه جاذبه الکترومغناطیسی بین ذرات باردارِ داخل دو سطح در تماس است.
• مشخصه‌یابی نیروی اصطکاک در موقعیت‌های متفاوت نیازمند آزمایش‌های بسیاری است.
• برای هر قانون عمومی در مورد اصطکاک، استثناهای بسیاری وجود دارد. به عنوان مثال، اصطکاک دو سطح زبر مانند کاغذ سمباده به هنگام مالش بسیار بیشتر از اصطکاک دو سطح صیقلی‌تر مانند شیشه است. اما گاهی ممکن است دو شیشه به هنگام مالش یه یکدیگر بچسبند.
• در مایعات، اصطکاک به صورت مقاومت بین لایه‌های متحرک تعریف می‌شود که گاهی به آن ویسکوزیته گفته می‌شود. در حالت کلی، حرکت مایعات با ویسکوزیته بالا، مانند عسل، به کندی انجام می‌شود.
• اتم‌ها داخل مواد جامد اصطکاک را احساس خواهند کرد. به عنوان مثال، اگر بخشی از ماده فلزی فشرده شود، تمام اتم‌های تشکیل دهنده آن حرکت می‌کنند و اصطکاک داخلی ایجاد خواهند کرد.
• اصطکاک به دو نوع اصطکاک ایستایی و جنبشی تقسیم می‌شود.
• اصطکاک ایستایی مربوط به حالتی است که دو سطح نسبت به یکدیگر حرکت نمی‌کنند. در مقابل، اصطکاک جنبشی به هنگام حرکت سطوح یا اجسام بر روی یکدیگر وجود دارد.

تاکنون به پرسش اصطکاک چیست پاسخ دادیم. در ادامه، در مورد چگونگی ایجاد اصطکاک بین سطوح و دو نوع نیروی اصطکاک ایستایی و جنبشی و تفاوت‌های بین آن‌ها توضیح می‌دهیم و مهم‌ترین کاربردهای اصطکاک در زندگی روزمره را بیان می‌کنیم.

چرا اصطکاک به وجود می‌آید ؟

هیچ سطحی به طور کامل صاف و صیقلی نیست. بنابراین، اصطکاک وجود دارد. حتی سطوحی که بسیار صاف و صیقلی به نظر می‌رسند، دارای پستی و بلندی‌های زیادی به هنگام مشاهده زیر میکروسکوپ هستند.

به تصویر فویل آلومینیومی در ادامه دقت کنید. فویل آلومینیوم بسیار صاف ودرخشان به نظر می‌رسد. اما، به هنگام مشاهده تکه‌ای از این فویل زیر میکروسکوپ، برآمدگی‌های زیادی آشکار خواهد شد. تمامی این قله‌ها و دره‌ها، در دره‌ها و قله‌های هر سطح دیگری که در تماس با فویل قرار بگیرد، گیر خواهند کرد. در نتیجه، اصطکاک به وجود می‌آید.

ضریب اصطکاک چیست ؟

در حالت کلی نیروی اصطکاک متناسب با نیروی عمودی سطح است و ضریب این تناسب، ضریب اصطکاک نامیده و با $$\mu$$ نشان داده می‌شود. نسبت نیروی اصطکاک به نیروی عمودی سطح برابر ضریب اصطکاک است. از آنجایی که یکای نیروهای اصطکاک و عمودی سطح برابر نیوتن است، ضریب اصطکاک واحدی ندارد. ضریب اصطکاک به دو نوع تقسیم می شود:

1. ضریب اصطکاک ایستایی یا $$\mu_s$$.
2. ضریب اصطکاک جنبشی یا $$\mu_k$$.

در جدول زیر ضریب اصطکاک ایستایی و جنبشی برای چند سطح مختف با یکدیگر مقایسه شده‌اند:

همان‌گونه که در جدول فوق مشاهده می‌کنید، ضریب اصطکاک جنبشی برای همه سطوح کمتر از ضریب اصطکاک ایستایی است. این بدان معنا است که به حرکت در آوردن اجسام از حفظ حرکت آن‌ها به مراتب سخت‌تر است.

علت ایجاد نیروی اصطکاک چیست ؟

همان‌گونه که در توضیحات بالا عنوان شد هنگامی که دو سطح بر روی یکدیگر می‌لغزند اصطکاک به وجود می‌آید. عامل‌های زیادی بر اصطکاک تاثیر می‌گذارند. این نیرو بر پایه مکانیزم در هم فرورفتگی و عوامل دیگری مانند فشار و طراحی جسم است. هفت عامل اصلی موثر بر نیروی اصطکاک عبارتند از:

1. زبری/صافی جسمی که بر روی سطحی می‌لغزد.
2.  زبری/صافی سطحی که جسم بر روی آن قرار گرفته است.
3. شکل/طراحی جسم.
4. نیروی عمودی از طرف سطح.
5. اصطکاک خشک مستقل از مساحت سطح
6. نوع اصطکاک (غلتشی/لغزشی).
7. نوع سطح لغزنده (جامد/مایع).

زبری یا صافی جسم لغزنده

همان‌گونه که در تصویر فوق نشان داده شد، هیچ جسمی به طور مطلق صاف نیست. تمامی اجسام در سطح میکروسکوپی قله‌ها و دره‌های متععدی دارند. وجود این قله‌ها و دره‌ها،مانع از حرکت آسان اجسام بر روی یکدیگر می‌شود. بنابراین، هر چه زبری جسم یا تعداد قله‌ها و دره‌های موجود بر روی سطح آن بیشتر باشد، اندازه نیروی اصطکاک بزرگ‌تر خواهد بود.

به عنوان مثال، سطحی پوشیده شده از برف اصطکاک کوچکی دارد. دوچرخه‌سواران به منظور افزایش اصطکاک به هنگام دوچرخه‌سواری، از چرخ‌هایی با برآمدگی‌های زیاد استفاده می‌کنند.

زبری یا صافی سطح

هر سطحی زبر است و پستی و بلندی‌های زیادی دارد. ترکیب این زبری با زبری جسم لغزنده منجر به اصطکاک خواهد شد.

هر چه سطح زبرتر باشد، اصطکاک ایجاد شده در برابر حرکت بزرگ‌تر خواهد بود. به عنوان مثال، راه رفتن بر روی جاده‌ای پر از سنگ‌ریزه یا ترک بسیار سخت‌تر از راه‌ رفتن بر روی جاده‌ای صاف خواهد بود.

نیروی عمودی بین دو جسم

نیروی عمودی (عمود بر صفحه لغزش) برهم‌کنش بین سطوح است و در نتیجه اصطکاک را افزایش خواهد داد. اصطکاک به طور مستقیم متناسب با نیروی عمودی وارد شده است ($$f=\mu N$$، در این رابطه به $$\mu$$ ضریب اصطکاک گفته می‌شود).

به طور کلی، نیروی عمودی برابر وزن جسم است. در نتیجه، اصطکاک به طور مستقیم متناسب با وزن جسم است. بر طبق انیمیشن مشاهده شده در زیر، هل دادن جسم سبک بسیار راحت‌تر از هل دادن جسمی سنگین خواهد بود.

طراحی و شکل جسم

اصطکاک در گازها و مایعات نیز وجود دارد. هوا و آب در مقایسه با لغزیدن بر روی سطح جامد مانند جاده، اصطکاک بسیار کمتری تولید می‌کنند. به هنگام مواجه با اصطکاک شاره‌ای مانند آب، طراحی و شکل جسم بسیار مهم خواهد بود. به طور کلی طراحی ساده مقدار اصطکاک را کاهش می‌دهد. هواپیماها و ماهی‌ها به منظور کاهش اصطکاک، از طراحی ساده‌ای استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، شکل ساده بدن دلفین سبب کاهش اصطکاک به هنگام شنا کردن آ‌ن‌ها خواهد شد.

سطح تماس جسم و سطح

اصطکاک به طور مستقیم متناسب با نیروی عمودی سطح است. اما مقدار آن به سطح تماس بستگی ندارد. مطابق تصویر زیر، دو لوگوی آجری با وزن یکسان بر روی میز چوبی قرار داده شده‌اند. ممکن است تصور کنید که لوگوی ‌‌B به دلیل سطح تماس بیشتر، نیروی اصطکاک بیشتری دارد. اما این تصور صحیح نیست. آیا می‌دانید چرا؟

به یاد بیاورید که فشار برابر یا نیرو تقسیم بر سطح در تماس است. برای اجسامی با جرم یکسان، این بدان معنا است که افزایش سطح تماس با کاهش فشار جبران می‌شود. بنابراین، نیروی اصطکاک بدون در نظر گرفتن سطح تماس جسم، بدون تغییر خواهد ماند.

 

نوع اصطکاک درگیر

اصطکاک غلتشی همواره کوچک‌تر از اصطکاک لغزشی است. با استفاده از چرخ‌ها، اصطکاک به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. کشیدن چمدان و ساک چرخ‌دار را بر روی زمین مقایسه کنید. به طور حتم، حرکت آسان‌تر ساک چرخ‌دار را احساس خواهید کرد. دلیل این امر کاهش قابل‌ملاحظه اصطکاک به دلیل چرخ‌های ساک خواهد بود. همچنین، حرکت با کفش‌های اسکیت در مقایسه با کفش‌های معمولی بسیار راحت‌تر است. اما آیا می‌دانید اصطکاک غلتشی چیست؟ در ادامه، این نوع اصطکاک توضیح داده می‌شود.

اصطکاک غلتشی چیست ؟

اصطکاک غلتشی به هنگام غلتش جسمی بر روی سطح به وجود می‌آید. این اصطکاک منجر به کاهش سرعت حرکت جسم غلتان می‌شود. حرکت توپ فوتبال بر روی چمن مثال خوبی برای اصطکاک غلتشی است. یکی از کاربردهای اصطکاک غلتشی در ساک‌های چرخ‌دار است.

اصطکاک غلتشی چگونه ایجاد می‌شود ؟

هنگامی که نیرویی بر جسمی اعمال می‌شود، آن جسم به دلیل وجود اصطکاک ایستایی بلافاصله شروع به حرکت نخواهد کرد. هنگامی که اندازه نیروی اعمالی از نیروی اصطکاک ایستایی بیشتر شود، جسم بر روی سطح شروع به حرکت می‌کند.

اصطکاک غلتشی به تغییر شکل کشسان جسم غلتان بستگی دارد. هیچ جسمی به طور کامل گرد، صاف یا کشسان نیست. هر جسمی به هنگام غلتش دچار تغییر شکل کشسان می‌شود. مساحت کوچکی از آن در تماس با سطح قرار می‌گیرد. در این هنگام نیروی مقاومی بر آن وارد می‌شود و سرعت حرکت جسم را کاهش می‌دهد. به این نیروی مقاوم، اصطکاک غلتشی می‌گوییم.

ضریب اصطکاک غلتشی چیست ؟

فرمول اصطکاک غلتشی به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$f=\mu_r N$$

در رابطه فوق، f نیروی اصطکاک غلتشی، $$\mu_r $$ ضریب اصطکاک غلتشی و N نیروی عمودی سطح است. ضریب اصطکاک غلتشی، ثابتی است که مقدار نیروی لازم برای ایجاد غلتش را نشان می‌دهد. هر چه اندازه این ضریب کوچک‌تر باشد، نیروی کمتری برای غلتیدن لازم خواهد بود. همچنین، این ضریب به صورت نسبت نیروی غلتشی بر نیروی عمودی سطح تعریف می‌شود.

عامل های موثر بر اصطکاک غلتشی

سه عاملی اصلی بر اصطکاک غلتشی تاثیر می‌گذارند:

1. صافی سطح: پستی و بلندی‌های سطح منجر به در هم فرورفتگی خواهند شد. سطح صاف اندازه اصطکاک غلتشی را کاهش می دهد.
2. تغییر شکل کشسان جسم: تغییر شکل کشسان جسم، مساحت در تماس با سطح را افزایش خواهد داد. با افزایش سطح، نیروی مقاومی ایجاد می‌شود. هر چه تغییر شکل بیشتر باشد، اندازه اصطکاک غلتشی نیر بیشتر خواهد بود. تغییر شکل بسیار کمی در سطوح فلزی غلتان ایجاد می‌شود، اما این سطوح بسیار سنگین هستند. بنابراین، اصطکاک غلتشی بزرگی دارند. هر چه سطحی گردتر باشد، اصطکاک غلتشی آن کمتر است.
3. جرم یا وزن جسم: اصطکاک همواره متناسب با وزن/جرم جسم است. بنابراین اجسام سنگین نیروی اصطکاک غلتشی بزرگ‌تری دارند.

کاهش اصطکاک غلتشی

راه‌های مختلفی برای کاهش اصطکاک غلتشی وجود دارد:

• صاف کردن سطوح غلتان با استفاده از جلا دادن.
• گرد بودن جسم غلتان تا حد امکان.
• استفاده عاقلانه از مواد. استفاده از لاستیک به جای فلزات سنگین.

مثال‌های اصطکاک غلتشی

مثال‌های زیادی از اصطکاک غلتشی در زندگی روزمره وجود دارند:

• غلتیدن توپ بسکتبال بر روی زمین
• حرکت ماشین بر روی چرخ‌ها
• ساک‌های چرخ‌دار
• گاری‌های مورد استفاده در مزرعه‌های کشاورزی
• کفش‌های اسکیت

نوع سطح لغزنده

اصطکاک سیال همواره از اصطکاک خشک کمتر است. به اصطکاک بین جسم و شاره یا سیال (مایع یا گاز)، اصطکاک سیال گفته می‌شود. به عنوان مثال، روغن‌کاری سبب ایجاد اصطکاک سیال خواهد شد. در طول مدت روغن‌کاری، مایع چسبناک یا ویسکوزیته مانند لایه‌ای بین سطوح لغزان بر روی یکدیگر، عمل می‌کند. در نتیجه، اصطکاک بین آن‌ها کاهش خواهد یافت.

تعریف اصطکاک سیال

هنگامی که جسمی نسبت به شاره‌ای مانند آب حرکت کند، نیروی مقاومی را احساس خواهد کرد. به این نیروی مقاوم، اصطکاک سیال گفته می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که قایق سرعتی در آب حرکت می‌کند، سرعت حرکت آن به دلیل وجود اصطکاک سیال کاهش می‌یابد. به مثال زیر توجه کنید:

آب از عسل روان‌تر است. چرا؟ زیرا آب نسبت به عسل راحت‌تر حرکت می‌کند. هر مولکولی در مایع با نیروی داخلی به نام ویسکوزیته روبرو می‌شود. از آنجایی که مقدار این نیرو در عسل بیش‌تر از آب است، حرکت هر جسمی در عسل سخت‌تر خواهد بود. در واقع، نیروی اصطکاک سیال در عسل بیشتر است.

مثال‌هایی از اصطکاک سیال

رایج‌ترین مثال‌های اصطکاک سیال در زندگی روزمره عبارتند از:

• هنگامی که شناگری در آب شنا می‌کند، این نیرو را به وضوح حس خواهد کرد.
• با روغن‌کاری بین دو سطح جامد در تماس، حرکت آن‌ها بر روی یکدیگر به دلیل اصطکاک سیال راحت‌تر صورت می‌گیرد.
• اصطکاک آبِ رودخانه با بستر رودخانه عامل مهمی به هنگام سیل است.
• هنگامی که آب در لوله حرکت می‌کند، اصطکاک بین سطح لوله و آب وجود دارد. به این نیروی اصطکاک، اصطکاک لوله گفته می‌شود.
• به هنگام ریختن عسل در ظرف، حرکت آن به کندی صورت می‌گیرد. این کندی به دلیل نیروی داخلی زیاد بین مولکول‌های عسل است.

عوامل موثر بر اصطکاک سیال

عامل‌های زیادی بر اصطکاک سیال تاثیر می‌گذارند. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

1. طراحی جسم: همان‌گونه در توضیحات بالا عنوان شد، شکل جسم یکی از عامل‌های موثر بر اصطکاک است. هر چه شکل جسمی ساده‌تر باشد، مولکول‌‌های آن راحت‌تر بر روی بدنه جسم حرکت خواهند کرد. ما‌هی‌ها بدن ساده‌ای دارند. بنابراین، به راحتی در آب شنا خواهند کرد. کشتی‌ها با تقلید از شکل ساده ماهی‌ها، طراحی می‌شوند.
2. سرعت حرکت جسم: هر چه سرعت حرکت جسمی در آب یا سیال دیگری بیشتر باشد، اصطکاک وارد شده از سمت سیال نیز بیشتر خواهد بود. قایق سرعتی را در نظر بگیرید. این قایق به دلیل حرکت با سرعت بالا نسبت به قایق معمولی، اصطکاک یا مقاومت بیشتری را از سمت آب حس خواهد کرد. به همین دلیل، بدنه قایق سرعتی از مواد محکمی ساخته شده است. در اصطکاک خشک، اصطکاک به سرعت بستگی ندارد. اما سرعت نقش مهمی در مقاومت هوا یا سیال خواهد داشت. نیروی اصطکاک سیال به صورت مستقیم با سرعت رابطه دارد.
3. اندازه جسم: هر چه اندازه جسمی بزرگ‌تر باشد، نیروی اصطکاک سیال بیشتر خواهد بود. نهنگ آبی در مقایسه با فردی که در دریا شنا می‌کند، نیروی اصطکاک بیشتری را حس می‌کند.
4. ماهیت سیال: سیالاتی با مقاومت داخلی زیاد، نیروی مقاوم بیشتری بر جسم شناور وارد خواهند کرد. مثال عسل و آب را به یاد آورید. نیروی داخلی بین مولکول‌های عسل بیشتر از آب است. در نتیجه، حرکت هر جسمی در عسل سخت‌تر خواهد بود.

نیروی اصطکاک سیال چگونه اتفاق می افتد ؟

فاصله بین مولکول‌ها در شاره‌ها بیشتر از جامدات است. در نتیجه، مولکول‌های به آسانی نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند. از این رو، اصطکاک ایجاد شده به وسیله سیالات کمتر از جامدات است.

اکنون می‌توانیم به پرسش اصطکاک چیست پاسخ دهیم. همچنین، با مهم‌ترین عامل‌های موثر بر اصطکاک و دو نوع اصطکاک غلتشی و مایع آشنا شدیم. در ادامه، در مورد دو نوع کلی اصطکاک یعنی ایستایی و جنبشی صحبت می‌کنیم. جدول زیر تفاوت‌های اصلی ای دو نوع اصطکاک را در حالت کلی نشان می‌دهد.

اصطکاک جنبشی چیست ؟

اصطکاک جنبشی نیروی بازدارنده بین دو جسم یا سطح است که بر روی یکدیگر حرکت می‌کنند. این نیرو به ماهیت و نوع سطوح در تماس بستگی دارد. اصطکاک جنبشی برای سطوح خشک و صاف زیاد و برای سطوح تر و صاف کم است.

نیروی اصطکاک جنبشی از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$f_k=\mu_k N$$

در رابطه فوق، $$\mu_k$$ ضریب اصطکاک جنبشی و N نیروی عمودی سطح است.

کاربردهای اصطکاک جنبشی

اصطکاک ایستایی کاربردهای زیادی در زندگی روزمره دارد:

• هنگامی که در زمستان دستان خود را به هم می‌مالید، نیروی اصطکاک جنبشی بین آن‌ها به وجود می‌آید. این حرکت مالشی بعد از مدت زمان کوتاهی سبب گرم شدن دست‌ها خواهد شد.
• این نیرو گاهی منجر به پوسیدگی و پارگی قسمت‌های مختلف ماشین یا وسایل مختلف خواهد شد. در نتیجه، قسمت‌های مختلف ماشین باید روغن‌کاری شوند.
• هنگامی که دو جسم بر روی یکدیگر حرکت می‌کنند، نیروی اصطکاک جنبشی به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود و دمای سطوح افزایش می‌یابد. در حالت‌های کمی این افزایش دما منجر به آتش‌سوزی خواهد شد.

اصطکاک ایستایی چیست ؟

به طور حتم هنگام خرید از سبد خرید استفاده کرده‌اید. آیا به این نکته توجه کرده‌اید که به حرکت درآوردن سبد خرید از حفظ حرکت آن سخت‌تر است؟ اگر بخواهید میز خود را در اتاق هل دهید، اولین هل همیشه سخت‌ترین قسمت خواهد بود.

اما چرا این‌گونه است؟ پاسخ به این پرسش در مفهومی به نام اصطکاک ایستایی نهفته است. همان‌گونه که در مطالب بالا بیان شد، اصطکاک نیرویی است که از حرکت دو جسم بر روی یکدیگر جلوگیری یا انجام این حرکت را بسیار سخت می‌کند. اصطکاک ایستایی، بین جسمی ساکن و سطحی که بر روی آن قرار گرفته است به وجود می‌آید.

مهم‌ترین مثال‌های اصطکاک ایستایی در زندگی روزمره عبارتند از:

• رومیزی بر روی میز
• حوله آویزان از جا حوله‌ای
• لیوانی که بر روی میز قرار گرفته است.
• ماشینی که بر روی تپه‌ای توقف کرده است.

اندازه اصطکاک ایستایی به نوع سطوح در تماس بستگی دارد. مقدار این اصطکاک برای سطوح زبر و خشک بیشتر از سطوح صاف و خیس است (به یاد بیاورید که مقدار اصطکاک سیال همواره کمتر از اصطکاک خشک است).

نیروی لازم برای به حرکت درآوردن اجسام (نیروی لازم برای غلبه بر اصطکاک ایستایی)، بزرگ‌تر از نیروی لازم برای ادامه حرکت جسم خواهد بود (نیروی لازم برای غلبه بر اصطکاک جنبشی). بنابراین ضریب اصطکاک ایستایی بیشتر از ضریب اصطکاک جنبشی است. مقدار ضریب اصطکاک ایستایی برای هر جفت سطح در تماس ثابت است. به عنوان مثال، این مقدار برای دو سطح در تماس فولاد-فولاد برابر ۰/۷۴ و برای دو سطح فولاد-آلومینیوم برابر ۰/۶۱ است.

برای به حرکت درآوردن جسم ساکن، باید با اعمال نیرو بر نیروی اصطکاک ایستایی غلبه کنیم. هنگامی که نیروی کوچکی بر جسم ساکن وارد شود، مقدار اصطکاک ایستایی برابر نیروی وارد شده اما در جهت مخالف آن است. هنگامی که نیروی وارد شده افزایش یابد، در نقطه مشخصی مقدار آن برابر نیروی اصطکاک ایستایی می‌شود. در این هنگام، نیروی اعمال شده بر نیروی اصطکاک ایستایی غلبه کرده و جسم شروع به حرکت می‌کند. مقدار بیشینه اصطکاک ایستایی برابر است با:

$$f_{smax}=\mu_s N$$

در این رابطه $$\mu_s$$ ضریب اصطکاک ایستایی و N نیروی عمودی سطح است.

قوانین حاکم بر اصطکاک ایستایی

دو قانون کلی در مورد اصطکاک ایستایی وجود دارد:

1. مقدار بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی به مساحت تماس بستگی ندارد.
2. مقدار بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی با نیروی عمودی سطح رابطه دارد. یعنی اگر نیروی عمودی سطح افزایش یابد، مقدار بیشینه نیروی خارجی که جسم بدون حرکت تحمل می‌کند نیز افزایش خواهد یافت.

اصطکاک حدی

هنگامی که جسمی در آستانه حرکت قرار می‌گیرد، اصطکاک ایستایی به بیشترین مقدار خود می‌رسد. به این مقدار بیشینه، اصطکاک حدی گفته می‌شود. هنگامی که نیروی اعمال شده از مقدار اصطکاک حدی بیشتر شود، جسم شروع به حرکت خواهد کرد.

اصطکاک ایستایی برای اجسام متحرک در نظر گرفته نمی‌شود.

قوانین اصطکاک حدی

برای اصطکاک حدی قوانین به صورت زیر وجود دارند:

• جهت اصطکاک حدی همواره با جهت حرکت جسم مخالفت می‌کند.
• اصطکاک حدی مماس بر سطح تماس دو سطح وارد می‌شود.
• بزرگی اصطکاک حدی متناسب با نیروی عمودی سطح است.
• مقدار حدی وابسته به جنس ماده، ماهیت سطوح در تماس و میزان صافی آن‌ها است.
• تا زمانی که اندازه نیروی عمودی سطح یکسان باشد، مقدار اصطکاک حدی مستقل از شکل یا مساحت سطوح در تماس است.

زاویه اصطکاک چیست ؟

در ابتدا برآیند دو بردار نیروی اصطکاک و نیروی عمودی سطح را به دست می‌آوریم. به زاویه بین حاصل برآیند این دو نیرو و نیروی عمودی سطح، زاویه اصطکاک گفته می‌شود.

نمونه سوالات اصطکاک

پرسش ۱: تصویر زیر کدام‌یک از انواع اصطکاک را نشان می‌دهد؟

1. مقاومت هوا
2. اصطکاک سیال
3. اصطکاک غلتشی
4. اصطکاک لغزشی

پاسخ: پاسخ گزینه ۱ یعنی اصطکاک سیال است.

پرسش ۲: نیرویی که جسم را در حالت سکون نگه می‌دارد چه نام دارد؟

1. اصطکاک خشک
2. اصطکاک سیال
3. اصطکاک ایستایی
4. اصطکاک داخلی

پاسخ: گزینه ۳، اصطکاک ایستایی.

پرسش ۳: رومیزی بر روی میز آشپزخانه مثال مناسبی برای چه نوع اصطکاکی است؟

1. اصطکاک خشک
2. اصطکاک سیال
3. اصطکاک ایستایی
4. اصطکاک جنبشی

پاسخ: گزینه ۳، اصطکاک ایستایی.

پرسش ۳: اصطکاک چه نوع نیرویی است؟

1. نیروی تماسی
2. نیروی غیرتماسی
3. نیروی مغناطیسی
4. نیروی الکترواستاتیکی

پاسخ: گزینه ۱، نیروی تماسی.

پرسش ۴: کدام یک از گزینه‌های زیر از کاربردهای اصطکاک جنبشی است؟

1. پوسیدگی و پارگی قسمت‌های مختلف ماشین
2. مالش دو جسم به یکدیگر که منجر به تولید گرما می‌شود.
3. گزینه ۱ و ۲.
4. هیچ‌کدام.

پاسخ: گزینه ۱ و ۲.

پرسش ۵: کدام نوع اصطکاک، کمترین نیروی مقاومتی را ایجاد می‌کند؟

1. اصطکاک لغزشی
2. اصطکاک ایستایی
3. اصطکاک غلتشی
4. اصطکاک جنبشی

پاسخ: گزینه ۳، اصطکاک غلتشی.

پرسش ۶: نیروی اصطکاک به کدام عامل بستگی دارد؟

1. ماده‌ای که جسم با آن در تماس است.
2. ماهیت سطح در تماس.
3. گزینه‌های ۱ و ۲.
4. هیچ‌کدام.

پاسخ: گزینه ۳، گزینه‌های ۱ و ۲.

کاربردهای اصطکاک در زندگی روزمره

اکنون می‌توانیم به خوبی به پرسش اصطکاک چیست پاسخ دهیم، اما آیا می‌دانید اصطکاک چه کاربردهایی در زندگی روزمره دارد؟ در ادامه مهم‌ترین کاربردهای این نیرو در زندگی افراد بیان می‌شود.

راه رفتن و دویدن

اصطکاک بین کف کفش و سطح زمین به حرکت ما به سمت جلو و راه رفتن یا دویدن کمک می‌کند. پاها نیرویی به سمت عقب وارد می‌کنند. در مقابل، نیروی اصطکاک ما را به سمت جلو می‌کشاند. هر چه اصطکاک بیشتر باشد، راه رفتن بهتر خواهد بود. به همین دلیل، کفش‌های دویدن، برجستگی‌ها و فرورفتگی‌های زیادی دارند.

نوشتن بر روی سطحی مانند کاغذ یا تخته سیاه

اصطکاک بین مداد، خودکار یا گچ و سطحی مانند کاغذ یا تخته سیاه سبب جدا شدن تعدادی از مولکول‌های مداد یا گچ و چسبیدن آن‌ها به سطح کاغذ یا تخته سیاه می‌شود.

کوبیدن میخ یا سوزن در دیوار

اصطکاک بین سوزن یا میخ و دیوار سبب ایجاد حفره در دیوار و نگه‌ داشتن میخ می‌شود. اگر اصطکاکی وجود نداشت، میخ از روی دیوار به زمین می‌افتاد.

ترمز کردن

دیسک ترمز‌ها بر اساس اصطکاک کار می‌کند. چه اتفاقی می‌افتد؟ هنگامی که پای خود را بر روی ترمز قرار می‌دهید، لنت ترمز با استفاده از سیستم هیدرولیک، دیسک را در خلاف جهت لمس می‌کند. در نتیجه، نیروی اصطکاک بین ترمز و دیسک به وجود می‌آید و سبب کندی حرکت ماشین و توقف کامل آن می‌شود.

ذکر این نکته مهم است که اصطکاک بین لنت ترمز و صفحه دیسک، گرمای زیادی را تولید خواهد کرد. برای غلبه بر این مشکل، در برخی از دیسک‌های ترمز، سوراخ‌های زیادی ایجاد شده است. در نتیجه، گرمای ایجاد شده سریع‌تر از بین خواهد رفت.

نردبان کنار دیوار

نیروی اصطکاک از لغزش نردبان جلوگیری می‌کند. نردبان با زمین زاویه ساخته است و تمایل به لغزیدن دارد. اما نیروی اصطکاک وارد شده بر آن از افتادن و لغزش نردبان بر روی زمین جلوگیری می‌کند.

روشن کردن آتش

هنگامی که چوب‌کبریتی را بر روی جعبه کبریت می‌کشیم، آتش می‌گیرد. آیا دلیل آن را می‌دانید؟ بالای چوب‌کبریت ماده‌ای قرار گرفته است که با استفاده از اصطکاک آتش می‌گیرد. در زمان‌های قدیم، افراد با مالش دو سنگ در خلاف جهت یکدیگر آتش روشن می‌کردند.

مسواک زدن

گاهی پس از غذا خوردن، تکه‌هایی از غذا بین دندان‌ها گیر می‌کنند. با مسواک زدن، بر نیروی اصطکاک بین این تکه‌ها و دندان غلبه می‌شود.

اتو کردن

یکی از کاربردهای اصطکاک اتو کردن لباس‌های چروک است. با استفاده از اصطکاک اتو را بر روی لباس فشار می‌دهیم. بدون اصطکاک، اتو از روی لباس لیز می‌خورد. فشاری که اعمال می‌کنیم تاثیر مستقیمی بر اندازه نیروی اصطکاک دارد. هر اندازه فشار وارد شده بیشتر باشد، اندازه نیروی اصطکاک بزرگ‌تر خواهد بود.

نگه داشتن اجسام مختلف

هنگامی که جسمی مانند لیوان یا بطری آب را در دست می‌گیریم، برای نگه داشتن آن از نیروی اصطکاک کمک گرفته‌ایم.

اصطکاک کاربردهای مهمی در زندگی روزمره دارد. بدون وجود این نیرو، زندگی بسیار سخت می‌شد. آیا می‌توانید زندگی بدون نیروی اصطکاک را تصور کنید؟

اگر اصطکاکی وجود نداشت، به هنگام راه فتن بر روی زمین، مدام لیز می‌خوردید. نگه‌داشتن اجسام مختلف بسیار سخت می‌شد. نوشتن بر روی کاغذ یا تخته سیاه امکان‌پذیر نبود.

تاکنون، با مفهوم اصطکاک چیست و انواع آن آشنا شدیم. در ادامه، به پرسش‌های جالبی در مورد اصطکاک پاسخ خواهیم داد.

معرفی فیلم آموزش فیزیک - پایه دوازدهم

مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک - پایه دوازدهم برای دانش‌آموزان رشته‌های علوم‌تجربی و ریاضی‌فیزیک کرده که این مجموعه آموزشی از بیست‌وسه درس تشکیل شده است.

در درس‌های یکم تا چهارم حرکت بر خط راست آموزش داده می‌شود. درس‌های پنجم تا هشتم در مورد دینامیک و حرکت دایره‌ای است. در درس ششم این مجموعه آموزشی برخی از نیروهای خاص مانند نیروی اصطکاک معرفی می‌شوند. در نتیجه، پس از تماشای این دوره آموزشی و خواندن این مطلب، با مفهوم اصطکاک چیست به خوبی آشنا می‌شوید و درک بهتری از نیروی اصطکاک خواهید داشت.

• برای دیدن فیلم آموزش فیزیک -پایه دوازدهم + اینجا کلیک کنید. 

سوالات متداول مرتبط با اصطکاک

در ادامه، برخی از سوالات متداول مرتبط با اصطکاک را بیان می‌کنیم.

رابطه بین اصطکاک و گرانش چیست ؟

نیروی اصطکاک با نیروی عمودی سطح رابطه مستقیم دارد. در حالت کلی، هنگامی که جسمی بر روی سطح افقی قرار دارد و در راستای عمودی حرکتی ندارد، این نیرو با نیروی وزن برابر خواهد بود. بنابراین، هر چه جسم سنگین‌تر باشد، نیروی وزن آن و در نتیجه نیروی عمودی سطح بزرگ‌تر خواهند بود. در نتیجه، نیروی اصطکاک وارد شده از طرف سطح بر جسم نیز افزایش خواهد یافت.

به هنگام به دست آوردن نیروی اصطکاک ایستایی و جنبشی بین دو جعبه که بر روی هم قرار گرفته‌ اند، جرم کدام‌ یک باید در نظر گرفته شود؟

جرم جعبه‌ای که نیروی عمودی سطح بر آن وارد می‌شود را در نظر می‌گیریم.

چگونه نیروی اصطکاک را کاهش دهیم ؟

روش‌های متداولی برای کاهش اصطکاک بین سطوح وجود دارند. رایج‌ترین آن‌ها عبارتند از:

1. روغن‌کاری.
2. طراحی ساده سازه‌ها.
3. صاف کردن سطوح زبر.
4. کاهش مساحت تماس بین سطوح.

مهم‌ترین عیب های نیروی اصطکاک چیست ؟

نیروی اصطکاک در کنار مفید بودن، معایبی نیز دارد:

• این نیرو در بیشتر قسمت‌های ماشین تولید گرما می‌کند. در نتیجه، بخشی از انرژی مفید به صورت گرما هدر می‌رود.
• به دلیل وجود نیروی اصطکاک در ماشین‌ها، باید توان بیشتری را مصرف کنیم.
• این نیرو از حرکت اجسام جلوگیری می‌کند.
• اصطکاک در ماشین‌ها سروصدا تولید می‌کند.
• به خاطر وجود اصطکاک، موتور ماشین‌ سوخت بیشتری را مصرف می‌کند.

جمع‌بندی

در این مطلب، به پرسش اصطکاک چیست پاسخ دادیم و با انواع اصطکاک مانند اصطکاک ایستایی، جنبشی، سیال و خشک آشنا شدیم. همچنین، مهم‌ترین عامل‌های موثر بر نیروی اصطکاک را فرا گرفتیم. در پایان، کاربردهای مهم اصطکاک در زندگی روزمره با ذکر مثال توضیح داده شد.