لغزش: رازی در حرکت اشیاء
اصطکاک از نگاه کلی: دوست یا دشمن حرکت؟
حتماً برایتان پیش آمده که بخواهید یک جعبهٔ سنگین را روی زمین بلغزانید. در لحظهٔ اول که نیرو وارد میکنید، جعبه حرکت نمیکند. اما وقتی نیروی شما از یک حد مشخص بیشتر شد، ناگهان جعبه به حرکت درمیآید و پس از آن، راحتتر میلغزد. این تجربه، دو نوع مهم اصطکاک را نشان میدهد:
- اصطکاک ایستایی3: نیرویی که تا زمانی که جسم حرکت نمیکند، در برابر حرکت اولیه مقاومت میکند.
- اصطکاک جنبشی (یا حرکتی): نیرویی که پس از شروع لغزش، بین دو سطح تماس ایجاد شده و همیشه در جهت مخالف حرکت جسم عمل میکند.
تمرکز ما در این مقاله بر روی نوع دوم، یعنی اصطکاک جنبشی است. این نیرو باعث میشود که اجسام متحرک، سرانجام بایستند. بدون آن، توقف ماشینها غیرممکن بود و راه رفتن روی یخ را تجربه میکردیم!
عوامل موثر بر اصطکاک جنبشی
میزان نیروی اصطکاک جنبشی بین دو سطح، به عوامل مختلفی وابسته است. در جدول زیر این عوامل و تاثیر آنها را مقایسه کردهایم:
| عامل | توضیح | مثال ملموس | تأثیر بر اصطکاک |
|---|---|---|---|
| جنس سطوح | زبری یا صافی مواد تشکیلدهنده | لغزش چوب روی فرش سختتر از لغزش چوب روی سرامیک است. | افزایش زبری = افزایش اصطکاک |
| نیروی فشاری | نیرویی که دو سطح را عمود بر هم به یکدیگر میفشارد | هل دادن یک جعبهٔ پر از کتاب (سنگین) سختتر از هل دادن همان جعبهٔ خالی است. | افزایش وزن = افزایش اصطکاک |
| سرعت لغزش | تندی حرکت نسبی دو سطح | برای سطحهای معمولی (مثل لاستیک روی آسفالت)، تغییر سرعت تاثیر چندانی ندارد. | تأثیر بسیار ناچیز |
| مساحت سطح تماس | وسعت ناحیهای که دو سطح با هم در تماس هستند | یک آجر را چه روی وجه پهن و چه روی وجه باریکاش بکشید، نیروی اصطکاک تقریباً یکسان است. | بدون تأثیر |
لغزش در خدمت ما: از ورزش تا ایمنی
شاید فکر کنید اصطکاک جنبشی فقط یک مانع است، اما در بسیاری از موارد، وجود آن برای کنترل و انجام کارها ضروری است. در ورزش اسکی، اسکیباز با استفاده از اصطکاک کنترلشده بین اسکی و برف، سرعت و جهت خود را تنظیم میکند. اگر این اصطکاک نبود، توقف غیرممکن میشد. مثال کلیدی دیگر، ترمز وسایل نقلیه است. وقتی پدال ترمز دوچرخه را میفشارید، لنتهای ترمز به چرخ میچسبند و بین لنت و چرخ، اصطکاک جنبشی زیادی ایجاد میشود. این نیرو در خلاف جهت حرکت چرخ عمل کرده و سرانجام آن را متوقف میکند. حتی نوشتن با مداد نیز حاصل اصطکاک جنبشی است؛ هنگام حرکت نوک مداد روی کاغذ، ذرات گرافیت به دلیل اصطکاک جدا شده و بر روی کاغذ مینشینند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. اصطکاک جنبشی در بسیاری مواقع مفید و حیاتی است. اگر اصطکاک بین لاستیک ماشین و جاده نباشد، ماشین میلغزد و راننده کنترل خود را از دست میدهد. هدف ما معمولاً مدیریت اصطکاک است، نه حذف کامل آن. در برخی موارد مانند چرخدندهها آن را افزایش و در موتورها آن را کاهش میدهیم.
پاسخ: زیرا برای غلبه بر اصطکاک ایستایی و شروع به حرکت، نیاز به نیروی بیشتری داریم. اما پس از شروع حرکت، فقط با اصطکاک جنبشی روبرو هستیم که معمولاً از اصطکاک ایستایی کمتر است. به همین دلیل است که نگه داشتن جسمی که در حال لغزش است، آسانتر از متوقف کردن آن در لحظهٔ شروع حرکت نیست.
پاسخ: خیر. روغن کاری (مثلاً گذاشتن روغن بین چرخدندهها) باعث میشود سطوح مستقیماً با هم تماس نداشته باشند و یک لایهٔ لغزنده بین آنها قرار گیرد. این کار اصطکاک را به شدت کاهش میدهد اما هرگز به صفر مطلق نمیرساند زیرا مولکولهای روغن خود با هم و با سطوح، اصطکاک دارند.
پاورقی
1لغزش (Sliding): حرکت نسبی دو سطح جامد در تماس با یکدیگر.
2اصطکاک جنبشی (Kinetic Friction): نیروی مقاومتی که هنگام حرکت نسبی دو سطح در تماس، در خلاف جهت حرکت بر هر یک وارد میشود.
3اصطکاک ایستایی (Static Friction): نیروی مقاومتی که بین دو سطح ساکن در تماس وجود دارد و از شروع حرکت جلوگیری میکند.
4ضریب اصطکاک جنبشی ($\mu_k$): یک عدد بدون واحد که بستگی به جنس دو سطح دارد و در محاسبه نیروی اصطکاک جنبشی استفاده میشود.
5نیروی عمودی ($F_N$): نیرویی که بر سطح عمود است و معمولاً در سطوح افقی برابر با وزن جسم است.
