חיכוך

ההשפעות של חיכוך נצפות בקלות בפעילויות היומיומיות 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 יישום של כוח חיצוני השווה בסדר גודלו.

מטרת הסרטון היא להדגים כיצד למדוד חיכוך בהגדרת מעבדה עבור אובייקטים המחליקים אופקית וכן במורד מישור נוטה.

לפני שצללו לפרוטוקול, בואו נחזור למושגים שמאחורי הכוח החיכוך. ראשית, אתה צריך לדעת כי ישנם שני סוגים של חיכוכים - חיכוך קינטי וחיכוך סטטי.

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

למרות שקרח עשוי להיחשב משטח חלק, אם נסתכל על הרמה המיקרוסקופית, יש אינטראקציות מורכבות בין שני המשטחים שגורמים לחיכוך. אינטראקציות אלה תלויות חספוס פני השטח וכוחות בין מולקולריים אטרקטיביים.

הגודל של כוח חיכוך קינטי זה שווה למכפלה של מקדם החיכוך הקינטי, או μK, אשר תלוי בשילוב פני השטח החומריים, ובכוח הרגיל, או Fnorm שדוחף את האובייקט ואת פני השטח יחד.

Fnorm פועל כדי לתמוך באובייקט והוא מאונך לממשק. במקרה זה, מאז הצינור הוא על קרקע רמה, Fnorm שווה ומול כוח הכבידה, שהוא מ"ג. לכן, אם אתה יודע את המסה המשולבת שלך עם הצינור, ואת מקדם החיכוך הקינטי לגומי וקרח, אנו יכולים לחשב בקלות את כוח החיכוך.

חיכוך קינטי יכול להמיר חלק מהאנרגיה הקינטית של הצינור לחום וגם יפחית את המומנטום של הצינור בסופו של דבר להביא אותו לנוח.

עכשיו, זה כאשר חיכוך סטטי - הסוג השני של חיכוך - נכנס למשחק. כוח חיכוך זה מתנגד לתנועה של אובייקט סטטי וניתן לחשב אותו על-ידי הפעלת כוח חיצוני. הכוח המוחל שבסופו של דבר מזיז את האובייקט חושף את הכוח הסטטי המרבי.

הנוסחה עבור כוח סטטי מרבי זהה לזו של חיכוך קינטי, אך מקדם החיכוך הסטטי μS גדול בדרך כלל מ- μK עבור אותו שילוב של משטח חומר.

דרך נוספת להתגבר על הכוח הסטטי המרבי היא על ידי הגדלת השיפוע של פני השטח. בזווית מסוימת, הנקראת זווית הנחה או θR, הכוח המושכ במורד המדרון יהיה שווה לכוח החיכוך הסטטי והצינור יתחיל להחליק. כוח משיכה זה, שהוא הסינוס של זווית הנחה כפול כוח הכבידה, שווה לכוח הסטטי המרבי, שהוא μS כפול תוצר של m , g, וקוסינוס של θR. על ידי ארגון מחדש של המשוואה הזו, אנו יכולים לחשב את מקדם החיכוך הסטטי.

כעת, לאחר שלמדנו את עקרונות החיכוך, בואו נראה כיצד ניתן ליישם את המושגים האלה כדי לחשב באופן ניסיוני את הכוחות והמקדמים של חיכוך קינטי וסטטי כאחד. ניסוי זה מורכב בקנה מידה המוני, סולם כוח, שתי מחבתות מתכת עם מקדמי חיכוך שונים המסומנות כבלוק 1 ו -2, מישור שיפוע מתכוונן, שתי משקולות 1000 גרם, ומקדם.

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

לאחר חיבור סולם הכוח לבלוק 1, משוך את קנה המידה אופקית ושים לב לקריאת הכוח רגע לפני שהבלוק מתחיל להחליק. הקלט את כוח החיכוך הסטטי המקסימלי הזה וחזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות. בצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2 ורשום ערכים אלה.

לאחר מכן, עם סולם הכוח המחובר לבלוק 1, למשוך את קנה המידה במהירות קבועה ולשים לב לכוח החיכוך הקינטי על המד. חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות. שוב, בצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2 והקלט ערכים אלה.

עכשיו, למקם בלוק 1 על גבי בלוק 2 ולמשוך את קנה המידה 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.

לניסוי הבא, סובבו את בלוק 1 כך ששטח הפנים הקטן יותר פונה לשולחן והצמידו אותו לסולם הכוח. כעת מדוד את כוח החיכוך הסטטי כבעבר על-ידי שימת לב לכוח לפני שהבלוק מתחיל להחליק. חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות.

בניסוי האחרון, הנח בלוק 1 במישור השיפוע המתכוונן עם המטוס בתחילה בזווית של אפס מעלות. הרם באיטיות את זווית המישור והשתמש במשפר כדי לקבוע את הזווית שבה הבלוק מתחיל להחליק. שוב, חזור על מדידה זו חמש פעמים כדי להשיג ערכות נתונים מרובות ולבצע את אותו הליך באמצעות בלוק 2.

עבור הניסויים המבוצעים על משטח אופקי, הכוח הנורמלי על הבלוקים שווה למשקל, כלומר מסה כפול g. מכיוון שהמסה של בלוק 1 ו -2 לניסויי חיכוך סטטיים וקינטיים זהים, Fnorm זהה בכל ארבעת המקרים. באמצעות הממוצע של ערכי הכוח הנמדדים לניסויים השונים, והנוסחה לשני החיכוכים, ניתן לחשב את מקדמי החיכוך.

כצפוי, מקדם החיכוך הסטטי גדול יותר ממקדם החיכוך הקינטי. יתר על כן, מקדמי המתאימים עבור שני בלוקים שונים שכן כל אחד מהם יש חספוס משטח שונה.

בניסוי בלוקים מוערמים, אנו יודעים כי המסה מכפילה בשני המקרים, כדי שנוכל לחשב את Fnorm החדש. אנחנו כבר יודעים μk עבור הבלוק במגע עם פני השטח. באמצעות זה אנו יכולים לחשב את כוח החיכוך הקינטי, אשר מסכים היטב עם הכוח 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 לבין הכוחות המדומדים עולים בקנה אחד עם השגיאות המשוערות הקשורות לקריאת סולם הכוח תוך שמירה על מהירות קבועה.

בניסויי המישור הנוטים, נמדדה זווית הנחה. באמצעות זווית זו, ניתן לקבוע את מקדמי החיכוך הסטטי, וכאן הערכים משווים לטובה עם מקדמים הנמדדים ממדידות ההזזה האופקיות.

לימוד חיכוך חשוב במספר יישומים, שכן הוא יכול להיות מועיל מאוד או תופעה שיש למזער.

חשוב מאוד עבור יצרני צמיגי רכב ללמוד חיכוך, כפי שהוא מאפשר צמיגים להשיג אחיזה על הכביש. לכן, כאשר יורד גשם, המים והשוריים על הכביש מפחיתים באופן משמעותי את מקדם החיכוך, מה שהופך את הגלישה והתאונות להרבה יותר סבירות.

בעוד מהנדסים רוצים להגביר את החיכוך עבור צמיגי המכונית, עבור מנועים ומכונות באופן כללי הם רוצים להפחית את זה, כמו חיכוך בין מתכות יכול ליצור חום ולפגוע במבנים שלהם. לכן, מהנדסים לומדים כל הזמן חומר סיכה שעשוי לסייע בהפחתת מקדם החיכוך בין שני משטחים.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לחיכוך. כעת עליכם להבין אילו גורמים תורמים לגודל החיכוך, לסוגי החיכוך השונים ולמנגנונים הפיזיים הבסיסיים השולטים בו. כמו תמיד, תודה שצפית!