חיכוך

השפעות החיכוך נצפות בקלות בפעילויות יומיומיות ובכל זאת המנגנונים הפיזיים השולטים בחיכוך יכולים להיות מורכבים.

חיכוך הוא כוח המתנגד לתנועה של אובייקט כאשר הוא נמצא במגע עם משטח. ברמה המיקרוסקופית, זה נגרם על ידי חספוס פני השטח של החומרים במגע ואינטראקציות בין-מולקולריות. אבל אפשר להתגבר על הכוח הזה על ידי הפעלת כוח חיצוני שווה בגודלו.

מטרת הסרטון הזה היא להדגים כיצד למדוד חיכוך בסביבת מעבדה עבור עצמים המחליקים אופקית כמו גם במורד מישור משופע.

לפני שנצלול לפרוטוקול, בואו נבחן מחדש את המושגים מאחורי כוח החיכוך. ראשית, עליכם לדעת כי ישנם שני סוגים של חיכוכים - חיכוך קינטי וחיכוך סטטי.

כדי להבין חיכוך קינטי, דמיינו שאתם נמצאים בצינור גומי שמחליק על פני שדה קרח אופקי אינסופי.

אף על פי שקרח עשוי להיחשב למשטח חלק, אם נסתכל על הרמה המיקרוסקופית, ישנן אינטראקציות מורכבות בין שני המשטחים שגורמות לחיכוך. אינטראקציות אלו תלויות בחספוס פני השטח ובכוחות בין-מולקולריים אטרקטיביים.

גודלו של כוח חיכוך קינטי זה שווה למכפלת מקדם החיכוך הקינטי, או ? K, שתלוי בשילוב החומר-משטח, ובכוח הנורמלי, או Fnorm שדוחף את האובייקט והמשטח יחד.

Fnorm פועל כדי לתמוך באובייקט והוא מאונך לממשק. במקרה זה, מכיוון שהצינור נמצא על קרקע ישרה, ה-Fnorm שווה ומנוגד לכוח הכבידה, שהוא מ"ג. לכן, אם אתה יודע את המסה המשולבת שלך עם הצינור, ואת מקדם החיכוך הקינטי לגומי וקרח, נוכל לחשב בקלות את כוח החיכוך.

חיכוך קינטי יכול להמיר חלק מהאנרגיה הקינטית של הצינור לחום וגם יפחית את המומנטום של הצינור ובסופו של דבר יביא אותו למנוחה.

כעת, זה הרגע שבו חיכוך סטטי - סוג החיכוך השני - נכנס לתמונה. כוח חיכוך זה מתנגד לתנועה של אובייקט סטטי וניתן לחשב אותו על ידי הפעלת כוח חיצוני. הכוח המופעל שבסופו של דבר מניע את האובייקט חושף את הכוח הסטטי המרבי.

הנוסחה לכוח סטטי מקסימלי זהה לזו של חיכוך קינטי, אך מקדם החיכוך הסטטי ? S בדרך כלל גדול מ-? K לאותו שילוב חומר-משטח.

דרך נוספת להתגבר על הכוח הסטטי המרבי היא על ידי הגדלת שיפוע המשטח. בזווית כלשהי, הנקראת זווית המנוחה או ? R, הכוח המושך במורד המדרון יהיה שווה לכוח החיכוך הסטטי והצינור יתחיל להחליק. כוח משיכה זה, שהוא הסינוס של זווית המנוחה כפול כוח הכבידה, שווה לכוח הסטטי המרבי, שהוא ? S פעמים מכפלה של m, g וקוסינוס של ?R. על ידי סידור מחדש של משוואה זו, אנו יכולים לחשב את מקדם החיכוך הסטטי.

כעת, לאחר שלמדנו את עקרונות החיכוך, בואו נראה כיצד ניתן ליישם את המושגים הללו כדי לחשב באופן ניסיוני את הכוחות והמקדמים של חיכוך קינטי וסטטי כאחד. ניסוי זה מורכב מסולם מסה, סולם כוח, שתי מחבתות מתכת עם מקדמי חיכוך שונים המסומנים כבלוק 1 ו-2, מישור שיפוע מתכוונן, שתי משקולות של 1000 גרם ומד זווית.

הוסף משקל של 1000 גרם לכל בלוק והשתמש בסולם כדי למדוד את המסות של הבלוקים הטעונים.

לאחר חיבור סולם הכוח לבלוק 1, משוך את הסולם אופקית ושים לב לקריאת הכוח רגע לפני שהבלוק מתחיל להחליק. רשום את כוח החיכוך הסטטי המקסימלי הזה וחזור על מדידה זו חמש פעמים כדי לקבל מערכי נתונים מרובים. בצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2 ורשום ערכים אלה.

לאחר מכן, כאשר סולם הכוח מחובר לבלוק 1, משוך את הסולם במהירות קבועה ושים לב לכוח החיכוך הקינטי על המד. חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי לקבל מערכי נתונים מרובים. שוב, בצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2 ורשום ערכים אלה.

כעת, הנח את בלוק 1 על גבי בלוק 2 ומשוך את הסולם במהירות קבועה כדי לקבוע את כוח החיכוך הקינטי. חזור על מדידה זו חמש פעמים וחשב את הממוצע. לאחר מכן בצע את אותו הליך עם בלוק 2 על גבי בלוק 1.

עבור הניסוי הבא, סובב את בלוק 1 כך ששטח הפנים הקטן יותר פונה לשולחן והצמד אותו לסולם הכוח. כעת מדוד את כוח החיכוך הסטטי כמו קודם על ידי רישום הכוח לפני שהבלוק מתחיל להחליק. חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי לקבל מערכי נתונים מרובים.

עבור הניסוי האחרון, הנח את בלוק 1 על מישור השיפוע המתכוונן כאשר המישור בתחילה בזווית של אפס מעלות. הרם לאט את זווית המטוס והשתמש במד זווית כדי לקבוע את הזווית שבה הבלוק מתחיל להחליק. שוב, חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג מערכי נתונים מרובים ולבצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2.

עבור הניסויים שבוצעו על משטח אופקי, הכוח הרגיל על הבלוקים שווה למשקל, כלומר מסה כפול גרם. מכיוון שהמסה של בלוק 1 ו-2 עבור ניסויי חיכוך סטטי וקינטי זהה, Fnorm זהה בכל ארבעת המקרים. באמצעות ממוצע ערכי הכוח הנמדדים עבור הניסויים השונים, והנוסחאות לשני החיכוכים, ניתן לחשב את מקדמי החיכוך.

כצפוי, מקדם החיכוך הסטטי גדול ממקדם החיכוך הקינטי. יתר על כן, המקדמים המתאימים לשני הבלוקים שונים מכיוון שלכל אחד מהם חספוס פני שטח שונה.

בניסוי הבלוקים המוערמים, אנו יודעים שהמסה מוכפלת בשני המקרים, כך שאנו יכולים לחשב את ה-Fnorm החדש. אנחנו כבר יודעים ?k על הבלוק במגע עם פני השטח. באמצעותו נוכל לחשב את כוח החיכוך הקינטי, שמתאים היטב לכוח הנמדד במהלך הניסוי.

כוח החיכוך שנמדד בעקבות שינוי בכיוון של בלוק 1 הראה כי שטח פני המגע אינו משפיע על כוח החיכוך. הפערים בין הכוחות המחושבים והנמדדים עולים בקנה אחד עם השגיאות המשוערות הקשורות לקריאת סולם הכוח תוך שמירה על מהירות קבועה.

עבור ניסויי המישור המשופע, נמדדה זווית המנוחה. באמצעות זווית זו ניתן היה לקבוע את מקדמי החיכוך הסטטי, וכאן הערכים משתווים לטובה עם המקדמים שנמדדו ממדידות ההזזה האופקיות.

חקר חיכוך חשוב במספר יישומים, מכיוון שהוא יכול להיות מועיל מאוד או תופעה שיש למזער.

חשוב ביותר ליצרני צמיגי רכב ללמוד חיכוך, מכיוון שהוא מאפשר לצמיגים לצבור אחיזה בכביש. לכן, כאשר יורד גשם, המים ושאריות השמנים על הכביש מפחיתים משמעותית את מקדם החיכוך, מה שהופך את ההחלקה והתאונות לסבירות הרבה יותר.

בעוד שמהנדסים רוצים להגביר את החיכוך לצמיגי מכוניות, עבור מנועים ומכונות באופן כללי הם רוצים להפחית אותו, שכן חיכוך בין מתכות יכול לייצר חום ולפגוע במבנים שלהן. לכן, מהנדסים חוקרים כל הזמן חומרי סיכה שעשויים לסייע בהפחתת מקדם החיכוך בין שני משטחים.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE ל-Friction. כעת עליך להבין אילו גורמים תורמים לגודל החיכוך, סוגי החיכוך השונים והמנגנונים הפיזיים הבסיסיים השולטים בו. כמו תמיד, תודה שצפית!