اصطکاک ورقهها: وقتی سایش گرما تولید میکند
اصطکاک چیست و چگونه کار میکند؟
همه ما تجربه لغزش روی سطح یخ و یا در مقابل، مقاومت هنگام هل دادن یک میز سنگین روی زمین را داریم. این نیروی مقاومت در برابر حرکت، همان اصطکاک است. اصطکاک بین هر دو سطحی که در تماس هستند و میخواهند روی هم بلغزند یا میلغزند، به وجود میآید.
در سطح میکروسکوپی، حتی صافترین سطوح نیز ناهمواریهای ریزی دارند. هنگامی که دو سطح روی هم کشیده میشوند، این ناهمواریهای ریز درگیر میشوند و مانع حرکت آسان میگردند. این درگیری و برخورد مداوم، باعث ایجاد سایش2 میشود. برای غلبه بر این نیرو و ایجاد حرکت، باید انرژی مصرف کنیم. این انرژی صرف چیزی میشود؟ بخش زیادی از آن به شکل گرما آزاد میگردد. به عبارت سادهتر، اصطکاک انرژی حرکتی را به انرژی گرمایی تبدیل میکند.
اگر نیروی اصطکاک را $F$ و مسافتی که دو سطح روی هم میلغزند را $d$ بنامیم، انرژی گرمایی تولید شده (کار انجام شده توسط اصطکاک) از رابطه زیر به دست میآید:
$W = F \times d$
که در آن $W$ انرژی است. هرچه نیروی اصطکاک بیشتر یا مسافت لغزش طولانیتر باشد، گرمای بیشتری تولید میشود.
اصطکاک بین ورقهها: یک آزمایش ساده
حالا بیایید این مفهوم را روی ورقهها بررسی کنیم. ورقه میتواند یک برگ کاغذ، ورق فلز نازک، صفحه پلاستیکی یا حتی لایهای از پوست باشد. وقتی دو ورقه روی هم حرکت میکنند، اصطکاک بین آنها رخ میدهد.
یک آزمایش ساده: دو برگ کاغذ معمولی بردارید. کف دستهای خود را کاملاً صاف کنید و هر برگه را روی یک کف دست قرار دهید. حالا دستهای خود را به سرعت و با فشار به هم بمالید، طوری که کاغذها بین آنها قرار گیرند و روی هم بلغزند. پس از چند ثانیه، دستهای خود را از هم جدا کرده و پشت کاغذها را لمس کنید. متوجه گرمای ایجاد شده میشوید. این گرمای دقیقاً از کجا آمد؟ از تبدیل انرژی حرکتی دستهای شما به گرما، به واسطه اصطکاک بین دو برگ کاغذ و همچنین بین کاغذ و پوست دست شما.
| مثال در زندگی | ورقههای درگیر | نتیجه سایش و افزایش دما | کاربرد/تأثیر |
|---|---|---|---|
| مالیدن دستها برای گرم کردن | لایههای پوست دو دست | گرم شدن کف دستها | ایجاد گرما در سرمای زمستان |
| ترمز دوچرخه (ترمز کابلی V) | لنت ترمز (مثلاً لاستیکی) و رینگ چرخ (فلزی) | داغ شدن رینگ و لنت | کاهش سرعت با تبدیل انرژی حرکتی به گرمایی |
| روشن کردن کبریت | سر کبریت (حاوی مواد شیمیایی) و سطح کبریتکشی | افزایش شدید دما تا نقطه اشتعال | تولید آتش |
| پاک کردن نوشته با پاککن | پاککن (پلاستیکی/لاستیکی) و سطح کاغذ | گرمای کم (غالباً حس نمیشود) و سایش ذرات مداد | پاک کردن اثر مداد با سایش فیزیکی |
کاهش یا افزایش اصطکاک: بستگی به هدف ما دارد
همیشه تولید گرما و سایش مطلوب نیست. گاهی میخواهیم اصطکاک را کاهش دهیم تا حرکت راحتتر و سایش کمتر شود. مثلاً برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد موتور ماشین، بین قطعات فلزی متحرک آن از روغن استفاده میکنیم. روغن یک لایه نازک (یک ورقه مایع) بین سطوح فلزی ایجاد میکند و باعث میشود آنها به جای سایش مستقیم روی هم، روی این لایه بلغزند. این کار اصطکاک و در نتیجه گرمای تولیدی را به شدت کاهش میدهد.
در مقابل، گاهی هدف ما دقیقاً افزایش اصطکاک و استفاده از گرمای حاصل است. مانند مثال ترمز دوچرخه یا روشن کردن آتش با سنگ چخماخ. در این موارد، از مواد خاصی استفاده میشود که اصطکاک بالایی با هم ایجاد میکنند.
یک مثال جالب دیگر، فندک اتمی است. وقتی چرخ فندک را فشار میدهید، یک قطعه فلزی کوچک (چرخدنده) به شدت روی یک سنگ مخصوص (فلینت) کشیده میشود. اصطکاک و سایش شدید بین این دو ورقه/قطعه فلزی، جرقههای داغی تولید میکند که گاز فندک را مشتعل میسازد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. اصطکاک در سیالات (مایعات و گازها) هم وجود دارد که به آن «اصطکاک ویسکوز»3 میگویند. اما در این مقاله تمرکز ما بر اصطکاک جامد-جامد، مخصوصاً بین سطوحی شبیه ورقه است.
پاسخ: بله، گرمای ناشی از اصطکاک میتواند بسیار شدید باشد. اگر انرژی زیادی به سرعت به گرما تبدیل شود (مثلاً در ماشینآلاتی که روانکاری نشدهاند یا در جنگلها که شاخههای درختان به هم ساییده میشوند)، دما میتواند از نقطه اشتعال مواد اطراف بالاتر رفته و باعث آتشسوزی شود. به همین دلیل است که همیشه باید مراقب اصطکاک بیش از حد در وسایل بود.
پاسخ: لزوماً نه. رابطه یک خط راست نیست. یک سطح خیلی صاف (مثل دو قطعه شیشه صیقلی) ممکن است به دلیل جذب مولکولی، اصطکاک زیادی داشته باشد. از طرفی، یک سطح خیلی زبر ممکن است باعث شود سطوح کمتر تماس واقعی داشته باشند و در نتیجه اصطکاک کمتری ایجاد شود. معمولاً یک میزان زبری بهینه برای حداکثر اصطکاک وجود دارد.
پاورقی
1 اصطکاک (Friction): نیروی مقاومتی که در مقابل حرکت نسبی دو سطح در تماس با یکدیگر ایجاد میشود.
2 سایش (Abrasion/Wear): فرسوده شدن یا کنده شدن مواد از سطح یک جسم در اثر تماس و اصطکاک با جسم دیگر.
3 اصطکاک ویسکوز (Viscous Friction): مقاومتی که یک سیال (مایع یا گاز) در برابر حرکت یک جسم در داخل آن یا حرکت لایههای خودش نشان میدهد.
