إحتكاك

يمكن ملاحظة آثار الاحتكاك بسهولة في الأنشطة اليومية ، ومع ذلك يمكن أن تكون الآليات الفيزيائية التي تحكم الاحتكاك معقدة.

الاحتكاك هو قوة تعارض حركة الجسم عندما يكون ملامسا لسطح. على المستوى المجهري ، يحدث بسبب خشونة سطح المواد الملامسة والتفاعلات بين الجزيئات. لكن يمكن للمرء أن يتغلب على هذه القوة من خلال تطبيق قوة خارجية متساوية في الحجم.

الهدف من هذا الفيديو هو توضيح كيفية قياس الاحتكاك في بيئة معملية للأجسام التي تنزلق أفقيا وكذلك لأسفل مستوى مائل.

قبل الغوص في البروتوكول ، دعنا نعيد النظر في المفاهيم الكامنة وراء قوة الاحتكاك. أولا ، عليك أن تعرف أن هناك نوعين من الاحتكاكات - الاحتكاك الحركي والاحتكاك الساكن.

لفهم الاحتكاك الحركي ، تخيل أنك في أنبوب مطاطي ينزلق عبر مجال أفقي لا نهائي من الجليد.

على الرغم من أن الجليد يمكن اعتباره سطحا أملسا ، إذا نظرنا إلى المستوى المجهري ، فهناك تفاعلات معقدة بين السطحين تسبب الاحتكاك. تعتمد هذه التفاعلات على خشونة السطح والقوى الجذابة بين الجزيئات.

حجم قوة الاحتكاك الحركي هذه يساوي ناتج معامل الاحتكاك الحركي ، أو ؟ K ، والتي تعتمد على تركيبة المادة والسطح ، والقوة العادية ، أو Fnorm التي تدفع الجسم والسطح معا.

يعمل Fnorm على دعم الكائن وهو عمودي على الواجهة. في هذه الحالة ، نظرا لأن الأنبوب على أرض مستوية ، فإن Fnorm يساوي ومعاكس قوة الجاذبية ، وهي ملغ. لذلك ، إذا كنت تعرف الكتلة المجمعة لك مع الأنبوب ، ومعامل الاحتكاك الحركي للمطاط والجليد ، فيمكننا بسهولة حساب قوة الاحتكاك.

يمكن للاحتكاك الحركي أن يحول بعض الطاقة الحركية للأنبوب إلى حرارة وسيقلل أيضا من زخم الأنبوب مما يؤدي في النهاية إلى الراحة.

الآن ، هذا هو الوقت الذي يلعب فيه الاحتكاك الساكن - النوع الآخر من الاحتكاك. تعارض قوة الاحتكاك هذه حركة جسم ثابت ويمكن حسابها عن طريق تطبيق قوة خارجية. تكشف القوة المطبقة التي تحرك الجسم في النهاية عن القوة الساكنة القصوى.

صيغة القوة الساكنة القصوى هي نفس صيغة الاحتكاك الحركي ، لكن معامل الاحتكاك الساكن؟ S عادة أكبر من ؟ K لنفس تركيبة المواد والسطح.

هناك طريقة أخرى للتغلب على القوة الساكنة القصوى وهي زيادة ميل السطح. في زاوية ما ، تسمى زاوية الراحة أو ؟ R ، القوة التي تسحب المنحدر ستساوي قوة الاحتكاك الساكنة وسيبدأ الأنبوب في الانزلاق. قوة السحب هذه ، وهي جيب زاوية السكون مضروبا في قوة الجاذبية ، تساوي القوة الساكنة القصوى ، وهي ؟ S مضروبة حاصل ضرب m و g وجيب تمام ?R. من خلال إعادة ترتيب هذه المعادلة، يمكننا حساب معامل الاحتكاك الساكن.

والآن بعد أن تعلمنا مبادئ الاحتكاك، دعونا نرى كيف يمكن تطبيق هذه المفاهيم لحساب قوى ومعاملات الاحتكاك الحركي والاحتكاك الساكن تجريبيا. تتكون هذه التجربة من مقياس كتلة ، ومقياس قوة ، واثنين من الأجزاء المعدنية بمعاملات احتكاك مختلفة يشار إليها بالكتلة 1 و 2 ، ومستوى منحدر قابل للتعديل ، ووزنين 1000 جرام ، ومنقلة.

أضف وزنا يبلغ 1000 جرام لكل كتلة واستخدم المقياس لقياس كتل الكتل المحملة.

بعد توصيل مقياس القوة بالكتلة 1 ، اسحب المقياس أفقيا ولاحظ قراءة القوة قبل أن تبدأ الكتلة في الانزلاق. سجل قوة الاحتكاك الساكنة القصوى هذه وكرر هذا القياس خمس مرات للحصول على مجموعات بيانات متعددة. قم بتنفيذ نفس الإجراء باستخدام الكتلة 2 وسجل هذه القيم.

بعد ذلك ، مع توصيل مقياس القوة بالكتلة 1 ، اسحب المقياس بسرعة ثابتة ولاحظ قوة الاحتكاك الحركية على المقياس. كرر هذا القياس خمس مرات للحصول على مجموعات بيانات متعددة. مرة أخرى، قم بتنفيذ نفس الإجراء باستخدام الكتلة 2 وسجل هذه القيم.

الآن ، ضع الكتلة 1 أعلى الكتلة 2 واسحب المقياس بسرعة ثابتة لتحديد قوة الاحتكاك الحركي. كرر هذا القياس خمس مرات واحسب المتوسط. ثم قم بتنفيذ نفس الإجراء مع الكتلة 2 أعلى الكتلة 1.

بالنسبة للتجربة التالية ، أدر الكتلة 1 بحيث تواجه مساحة السطح الأصغر الطاولة وأرفقها بمقياس القوة. الآن قم بقياس قوة الاحتكاك الساكنة كما كان من قبل عن طريق تدوين القوة قبل أن تبدأ الكتلة في الانزلاق. كرر هذا القياس خمس مرات للحصول على مجموعات بيانات متعددة.

بالنسبة للتجربة الأخيرة ، ضع الكتلة 1 على مستوى المنحدر القابل للتعديل مع المستوى في البداية بزاوية صفر درجة. ارفع زاوية المستوى ببطء واستخدم المنقلة لتحديد الزاوية التي تبدأ عندها الكتلة في الانزلاق. مرة أخرى ، كرر هذا القياس خمس مرات للحصول على مجموعات بيانات متعددة وتنفيذ نفس الإجراء باستخدام الكتلة 2.

بالنسبة للتجارب التي يتم إجراؤها على السطح الأفقي ، فإن القوة العادية على الكتل تساوي الوزن ، أي الكتلة مضروبة في g. نظرا لأن كتلة الكتلة 1 و 2 لكل من تجارب الاحتكاك الساكن والحركي هي نفسها ، فإن Fnorm هي نفسها في جميع الحالات الأربع. باستخدام متوسط قيم القوة المقاسة للتجارب المختلفة ، وصيغ كلا الاحتكاكين ، يمكن حساب معاملات الاحتكاك.

كما هو متوقع ، فإن معامل الاحتكاك الساكن أكبر من معامل الاحتكاك الحركي. علاوة على ذلك ، تختلف المعاملات الخاصة بالكتلتين لأن كل منهما يمتلك خشونة سطح مختلفة.

في تجربة الكتل المكدسة ، نعلم أن الكتلة تتضاعف في كلتا الحالتين ، حتى نتمكن من حساب Fnorm الجديد. نحن نعرف بالفعل ?k للكتلة الملامسة للسطح. باستخدام هذا يمكننا حساب قوة الاحتكاك الحركية ، والتي تتفق جيدا مع القوة المقاسة أثناء التجربة.

أظهرت قوة الاحتكاك المقاسة بعد تغيير اتجاه الكتلة 1 أن مساحة سطح التلامس لا تؤثر على قوة الاحتكاك. تتوافق التناقضات بين القوى المحسوبة والمقاسة مع الأخطاء المقدرة المرتبطة بقراءة مقياس القوة مع الحفاظ على سرعة ثابتة.

بالنسبة لتجارب المستوى المائل ، تم قياس زاوية الراحة. باستخدام هذه الزاوية ، يمكن تحديد معاملات الاحتكاك الساكن ، وهنا تقارن القيم بشكل إيجابي مع المعاملات المقاسة من قياسات الانزلاق الأفقية.

تعد دراسة الاحتكاك مهمة في العديد من التطبيقات ، حيث يمكن أن تكون مفيدة للغاية أو ظاهرة يجب تقليلها.

من المهم للغاية لمصنعي إطارات السيارات دراسة الاحتكاك ، لأنه يسمح للإطارات باكتساب قوة جر على الطريق. لذلك ، عندما تمطر ، تقلل المياه والزيوت المتبقية على الطريق بشكل كبير من معامل الاحتكاك ، مما يجعل الانزلاق والحوادث أكثر احتمالا.

بينما يرغب المهندسون في زيادة الاحتكاك لإطارات السيارات ، فإنهم يريدون تقليله بالنسبة للمحركات والآلات بشكل عام ، لأن الاحتكاك بين المعادن يمكن أن يولد حرارة ويتلف هياكلها. لذلك ، يدرس المهندسون باستمرار مواد التشحيم التي قد تساعد في تقليل معامل الاحتكاك بين سطحين.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن الاحتكاك. يجب أن تفهم الآن العوامل التي تساهم في حجم الاحتكاك ، وأنواع الاحتكاك المختلفة ، والآليات الفيزيائية الأساسية التي تحكمه. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!