חיכוך: סוגים, מקדם, חישוב, תרגילים - גוּפָנִי - 2025

החיכוך הוא התנגדות לתנועה של משטח להיות במגע עם אחר. זוהי תופעת שטח שמתרחשת בין חומרים מוצקים, נוזליים וגזים. כוח ההתנגדות המשיק לשני משטחים במגע, המתנגד לכיוון העקירה היחסית בין המשטחים האמורים, נקרא גם כוח החיכוך או כוח החיכוך F _r .

כדי להעביר גוף מוצק על משטח יש להפעיל כוח חיצוני שיכול להתגבר על החיכוך. כאשר הגוף נע, כוח החיכוך פועל על הגוף, מאט אותו ואף יכול לעצור אותו.

חיכוך

ניתן לייצג את כוח החיכוך בצורה גרפית על ידי דיאגרמת הכוח של גוף במגע עם משטח. בתרשים זה נמשך כוח החיכוך F _r המתנגד לרכיב הכוח המופעל על הגוף המשיק לפני השטח.

משטח המגע מפעיל כוח תגובה על הגוף הנקרא כוח נורמלי. במקרים מסוימים הכוח הנורמלי נובע רק מהמשקל P של הגוף שנח על פני השטח, ובמקרים אחרים הוא נובע מכוחות מיושמים שאינם כוח הכובד.

חיכוך מתרחש מכיוון שיש חספוסים מיקרוסקופיים בין המשטחים במגע. כשמנסים להעביר משטח אחד מעל פני השני, מתרחש חיכוך בין החספוסים המונעים תנועה חופשית בממשק. בתורו, הפסדי אנרגיה מתרחשים בצורה של חום שאינו משמש להזזת הגוף.

סוגי חיכוכים

ישנם שני סוגים עיקריים של חיכוך: חיכוך קולומב או חיכוך יבש וחיכוך נוזלי.

-חיכוך קולומב

חיכוך קולומב מתנגד תמיד לתנועת הגופים ומחולק לשני סוגים של חיכוך: חיכוך סטטי וחיכוך קינטי (או דינמי).

בחיכוך סטטי אין תנועה של הגוף על פני השטח. הכוח המופעל נמוך מאוד ולא מספיק כדי להתגבר על כוח החיכוך. לחיכוך יש ערך מקסימאלי שהוא פרופורציונלי לכוח הנורמלי ונקרא כוח החיכוך הסטטי F _re .

כוח החיכוך הסטטי מוגדר ככוח המרבי המתנגד לתחילת תנועת הגוף. כאשר הכוח המופעל עולה על כוח החיכוך הסטטי, הוא נשאר בערכו המרבי.

חיכוך קינטי פועל כאשר הגוף כבר בתנועה. הכוח הנדרש בכדי לשמור על תנועת הגוף בחיכוך נקרא כוח החיכוך הקינטי F _rc .

כוח החיכוך הקינטי פחות או שווה לכוח החיכוך הסטטי מכיוון שברגע שהגוף מתחיל לנוע, קל יותר להמשיך לזוז מאשר לנסות לעשות זאת בזמן מנוחה.

חוקי החיכוך של קולומב

1. כוח החיכוך הוא ביחס ישר לכוח הנורמלי למשטח המגע. קבוע המידתיות הוא מקדם החיכוך μ שקיים בין המשטחים במגע.
2. כוח החיכוך אינו תלוי בגודל אזור המגע לכאורה בין המשטחים.
3. כוח החיכוך הקינטי אינו תלוי במהירות הזזה של הגוף.

-חיכוך נוזלי

חיכוך מתרחש גם כאשר גופים נעים במגע עם חומרים נוזליים או גזים. חיכוך מסוג זה נקרא חיכוך נוזלים ומוגדר כעמידות לתנועת גופים במגע עם נוזל.

חיכוך נוזלים מתייחס גם להתנגדות של נוזל לזרום במגע עם שכבות נוזלים מאותו חומר או מחומר אחר, ותלוי במהירות הנוזל וצמיגותו. צמיגות היא מדד ההתנגדות לתנועה של נוזל.

-חיכוך סטוקס

חיכוך סטוקס הוא סוג של חיכוך נוזלים בו חלקיקים כדוריים השקועים בנוזל צמיגי, בזרימה למינרית, חווים כוח חיכוך שמאט את תנועתם בגלל תנודות במולקולות הנוזל.

חיכוך של סטוקס

הזרימה היא למינרית כאשר הכוחות הצמיגיים, המתנגדים לתנועת הנוזל, גדולים מכוחות האינרציה והנוזל נע במהירות קטנה מספיק ובמסלול ישר.

מקדמי חיכוך

על פי חוק החיכוך הראשון של קולומב, מקדם החיכוך μ מתקבל מהקשר בין כוח החיכוך לכוח הנורמלי למשטח המגע.

המקדם μ הוא כמות נטולת ממדים, מכיוון שהיא מערכת יחסים בין שני כוחות, התלויה באופי ובטיפול בחומרים במגע. בדרך כלל הערך של מקדם החיכוך הוא בין 0 ל -1.

מקדם חיכוך סטטי

מקדם החיכוך הסטטי הוא קבוע המידתיות הקיים בין הכוח המונע תנועה של גוף במצב של מנוחה על משטח מגע לבין הכוח הנורמלי לפני השטח.

מקדם חיכוך קינטי

מקדם החיכוך הקינטי הוא קבוע המידתיות הקיים בין הכוח המגביל את תנועתו של גוף הנע על פני שטח לבין הכוח הנורמלי לפני השטח.

מקדם החיכוך הסטטי גדול יותר ממקדם החיכוך הקינטי.

מקדם חיכוך אלסטי

מקדם החיכוך האלסטי נגזר מהחיכוך בין משטחי המגע של חומרים אלסטיים, רכים או גסים המעוותים על ידי כוחות מיושמים. החיכוך מתנגד לתנועה היחסית בין שני משטחים אלסטיים והעקירה מלווה בעיוות אלסטי של שכבות השטח של החומר.

מקדם החיכוך שמתקבל בתנאים אלה תלוי במידת חספוס פני השטח, בתכונות הפיזיקליות של החומרים במגע, ובעוצמת המרכיב המשיק של כוח הגזירה בממשק החומרים.

מקדם חיכוך מולקולרי

מקדם החיכוך המולקולרי מתקבל מהכוח המגביל את תנועת החלקיק המחליק על משטח חלק או דרך נוזל.

כיצד מחושבים חיכוכים?

כוח החיכוך בממשקים מוצקים מחושב באמצעות המשוואה F _r = μN

החלפת משוואת המשקל במשוואת כוח החיכוך נותנת:

מאפייני הנורמלי

כאשר חפץ נמצא במנוחה על משטח שטוח, הכוח הנורמלי הוא זה המופעל על ידי המשטח על הגוף, והוא מתנגד לכוח בגלל כוח המשיכה, על פי חוק הפעולה והתגובה של ניוטון.

הכוח הנורמלי פועל תמיד בניצב לפני השטח. על משטח נוטה הנורמלי יורד ככל שזווית הרזה עולה ומצביעה בכיוון ניצב הרחק מהשטח, ואילו המשקל מצביע אנכית כלפי מטה. המשוואה של הכוח הנורמלי על משטח נוטה היא:

θ = זווית הנטייה של משטח המגע.

חיכוך מטוס נוטה

מרכיב הכוח הפועל על הגוף כדי להחליק אותו הוא:

ככל שהכוח המופעל גדל הוא מתקרב לערך המרבי של כוח החיכוך, ערך זה הוא זה התואם לכוח החיכוך הסטטי. כאשר F = F _מחדש , כוח החיכוך הסטטי הוא:

ומקדם החיכוך הסטטי מתקבל על ידי המשיק של זווית הנטייה θ.

תרגילים שנפתרו

כוח חיכוך של עצם שנמצא על משטח אופקי

תיבה של 15 ק"ג המונחת על משטח אופקי נדחפת על ידי אדם המפעיל כוח של 50 ניוטון לאורך משטח כדי לגרום לו לנוע ואז מפעיל כוח של 25 N על מנת לשמור על התיבה בתנועה במהירות קבועה. קבעו את מקדמי החיכוך הסטטי והקינטי.

תיבה נעת על משטח אופקי

הפיתרון: עם ערך הכוח המופעל על מנת להזיז את התיבה _מתקבל מקדם החיכוך הסטטי μ _e .

הכוח הנורמלי N לפני השטח שווה למשקל התיבה, כך N = מ"ג

במקרה זה, μ _e = 50 חדש / 147 חדש

הכוח המופעל כדי לשמור על מהירות התיבה קבוע הוא כוח החיכוך הקינטי השווה ל- 25New.

מקדם החיכוך הקינטי מתקבל עם המשוואה μ _c = F _rc / N

כוח ביטוי של עצם תחת פעולה של כוח עם זווית נטייה

אדם מפעיל כוח על תיבה של 20 קילוגרם, עם זווית יישום של 30 מעלות ביחס למשטח בו הוא מונח. מה גודל הכוח המופעל על מנת להזיז את התיבה אם מקדם החיכוך בין התיבה למשטח הוא 0.5?

הפיתרון: דיאגרמת הגוף החופשי מייצגת את הכוח המופעל ואת הרכיבים האנכיים והאופקיים שלו.

תרשים גוף חופשי

הכוח המופעל הופך זווית של 30 מעלות עם המשטח האופקי. הרכיב האנכי של הכוח מוסיף לכוח הרגיל המשפיע על כוח החיכוך הסטטי. התיבה נעה כאשר המרכיב האופקי של הכוח המופעל עולה על הערך המרבי של כוח החיכוך F _re . השוואת המרכיב האופקי של הכוח לזה של החיכוך הסטטי נותנת:

כוח רגיל

הכוח התקין הוא כבר לא משקל הגוף בגלל המרכיב האנכי של הכוח.

על פי החוק השני של ניוטון, סכום הכוחות הפועלים על התיבה בציר האנכי הוא אפס, ולכן מרכיב ההאצה האנכי הוא _y = 0. הכוח הנורמלי מתקבל מהסכום

על ידי החלפת המשוואה למשוואה מתקבלים הדברים הבאים:

ביטויים ברכב נע

רכב בגודל 1.5 טון נוסע בכביש ישר ואופקי במהירות של 70 קמ"ש. הנהג רואה מכשולים בכביש במרחק מסוים שמאלצים אותו לבלום בחדות. לאחר בלימה, הרכב מחליק לזמן קצר עד שהוא מגיע לעצירה. אם מקדם החיכוך בין הצמיגים לכביש הוא 0.7; קבע את הדברים הבאים:

1. מה ערך החיכוך בזמן שהרכב מחליק?
2. האטה ברכב
3. המרחק שנסע על ידי הרכב מהבלימה לעצירתו.

כוח החיכוך של הרכב כשהוא מחליק הוא:

= 10290 חדש

סעיף ב

כוח החיכוך משפיע על האטת הרכב כאשר הוא מחליק.

על ידי החלת החוק השני של ניוטון, ערך ההאטה מתקבל על ידי פתרון עבור המשוואה F = ma

סעיף ג

המהירות הראשונית של הרכב היא v ₀ = 70Km / h = 19.44m / s

כאשר הרכב מפסיק המהירות הסופית שלו היא v _f = 0 וההאטה היא = - 6.86 מ"ש ²

המרחק שנסע על ידי הרכב, מהבלימה לעצירתו, מתקבל על ידי פתרון עבור d מהמשוואה הבאה:

הרכב נוסע מרחק של 27.54 מ 'לפני עצירתו.

1. חישובי מקדם החיכוך בתנאי מגע אלסטיים. מיכין, נ 'מ' 2, 1968, מדע החומרים הסובייטי, כרך 4, עמ '. 149-152.
2. Blau, P J. מדע וטכנולוגיה של חיכוך. פלורידה, ארה"ב: CRC Press, 2009.
3. הקשר בין כוחות הדבקה וחיכוך. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung and Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, כרך 8, pp. 1231-1249.
4. צימבה, ג'יי כוח ותנועה. בולטימור, מרילנד: הוצאת אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, 2009.
5. Bhushan, B. עקרונות ויישומים של Tribology. ניו יורק: ג'ון וויילי ובניו, 1999.
6. Sharma, CS ו- Purohit, K. תיאוריה של מנגנונים ומכונות. ניו דלהי: היכל Prentice של הודו, 2006.