آموزش نیروی اصطکاک

مسیر سربالایی بود و یخ‌زده. دستم را به دیواره‌ی کناری مسیر گرفتم که سُر نخورم. چند قدم به سختی بر‌داشتم؛ ولی همان چند قدم را دوباره سر‌خوردم. یاد صحنه‌ای از فیلم «تنها در خانه 1» افتادم.

کوین، برای اینکه مانع ورود دزدها به خانه شود؛ جلوی در خانه و روی پله‌ها را خیس کرد تا سطح‌شان در آن هوای سرد یخ بزند. دزدها را خاطرتان هست؟ هر بار که می‌خواستند از پله‌ها بالا روند لیز می‌خوردند و می‌افتادند.

من هم در آن سربالایی مثل دزدها گیر افتاده بودم. شما را نمی‌دانم؛ اما من در چنین مواقعی شکرگزاری می‌کنم. سُر خوردن شکرگزاری دارد؟ بله.

خدا را شکر می‌کنم که نیروی اصطکاک (Friction) وجود دارد و ما مجبور نیستیم؛ هر روز در هر بار راه رفتن سُر بخوریم. شاید تعجب کنید و یا برایتان سوال باشد؛ راه رفتن چه ربطی به اصطکاک دارد؟ اصلاً نیروی اصطکاک چیست؟ در این مقاله درباره آموزش نیروی اصطکاک صحبت می‌کنیم.

چرا اصطکاک ایجاد می‌شود؟

به خودکار یا مداد روی میزتان نگاه کنید؛ چرا روی میز لیز نمی‌خورند؟ چرا کتاب‌های‌تان در قفسه کتابخانه آرام گرفته‌اند؟
در ابعاد میکروسکوپی وقتی دو سطح روی هم قرار می‌گیرند؛ بسیاری از نقاط آنها با هم تماس پیدا می‌کنند و به هم جوش می‌خورند. این تماس را جوش سرد می‌گویند.

همه‌ی سطوحی که صاف و تمیز و صیقلی نباشند؛ در سطح مولکولی جوش سرد خورده‌اند. اصطکاک بر اثر ناهمواری‌های موجود بر سطوح، در تماس با یکدیگر به وجود می‌آید. اتم‌ها در بسیاری از نقاط تماس به هم می‌چسبند. برای همین است که خودکار روی میز می‌ماند و کتاب‌ها از قفسه فرونمی‌افتند.

نیروی اصطکاک چیست؟

سعی کنید میزتان را روی زمین هل دهید. در ابتدا که نیروی دست شما چندان زیاد نیست؛ میز حرکت نمی‌کند. احتمالاً پای یک نیروی هم اندازه و خلاف جهت در کار باشد. باعث و بانی‌اش که می‌تواند باشد؟ به نظرمن همه چیز از محل تماس دو جسم آب می‌خورد.

یادتان است گفتم دو سطح در محل تماس به هم جوش می‌خورند؛ همین جوش‌ها نیروی مقاومی خلاف جهت نیروی شما در مقابل حرکت می‌سازند، که مانع حرکت میز می‌شود. چه باید کرد؟ بیایید کمی نیروی وارد به میز را افزایش دهید؛ طوری که بتوانید این جوش‌های سطحی را بشکنید.

حالا چه می‌شود؟ میز در آستانه‌ی حرکت قرار می‌گیرد. به نظر می‌آید؛ حالا باید میز به راحتی و بدون آن جوش‌های سرد روی سطح زمین سُر بخورد؛ اما این طور نیست.

برای ادامة حرکت میز باید به آن نیرو وارد کرد. چرا؟ بعد از گسسته شدن پیوندهای اتمی در سطح تماس، دوباره اتم‌های دو سطح به هم جوش می‌خورند و با وارد شدن نیرو دوباره پاره می‌شوند و این فرایند مدام تکرار می‌شود. پس این نیروی خلاف جهت، تا زمانی که شما نیرو وارد می‌کنید، حضور دارد و دست بردار نیست.

همان‌طور که دیدید، با وارد کردن نیرو، چه میز حرکت کند و چه ساکن بماند؛ همواره نیرویی خلاف جهت از طرف سطحِ تماس وارد کار می‌شود که با حرکت جسم مخالف است. به این نیرو، اصطکاک گفته می‌شود.

نیروهای اصطکاک، مانند کشش لازم برای راه رفتن بدون لیز خوردن، اگرچه مفیدند؛ اما مقاومت زیادی در برابر حرکت نیز، از خود نشان می‌دهند؛ مثلا حدود 20 درصد از قدرت موتور خودروها صرف غلبه بر نیروهای اصطکاک در قطعات متحرک می‌شود. ^{Friction | Definition, Types, & Formula}

انواع نیروی اصطکاک

اصطکاک (Friction force) میان دو سطح یا به شکل «اصطکاک ایستایی» ظاهر می‌شود و یا به صورت «اصطکاک جنبشی». در ادامه با هر کدام از این دو نوع نیروی اصطکاک آشنا می‌شویم.

نیروی اصطکاک ایستایی

این شکل از اصطکاک زمانی وارد عمل می‌شود، که وقتی جسمی را هل می‌دهید یا می‌کشید؛ آن جسم از جایش تکان نخورد.

شاید بگویید مگر می‌شود؛ به جسمی نیرو وارد شود و آن جسم حرکت نکند؟ بله، وقتی پای نیروی دیگری در میان باشد؛ نیرویی هم‌اندازه و خلاف جهت. نیرویی که توان خنثی سازی و بی‌اثر کردن نیروی وارد بر جسم را دارد. این همان اصطکاک ایستایی است.

نیروی اصطکاک ایستایی بیشینه

با افزایش نیروی وارد بر جسم، اگر جسم همچنان ساکن بماند؛ اصطکاک ایستایی نیز افزایش می‌یابد؛ اما تا کی این نیرو خود را پابه‌پای نیروی وارد بر جسم افزایش می‌دهد؟ تا وقتی بتواند آن جوش‌های سرد میان اتم‌ها را بشکند و در آستانه‌ی حرکت قرار گیرد.

این حالت بیشینه اصطکاک ایستایی است. اصطکاک ایستایی بیشینه، نیروی اصطکاک بین جسم و سطح در آستانه‌ی حرکت است. اگر نیروی وارد بر جسم از این مقدار کمتر باشد جسم همچنان ساکن می‎‌ماند و اگر از این مقدار بیشتر شود؛ جسم شروع به حرکت می‌کند.

نیروی اصطکاک ایستایی بیشینه از رابطه‌ای که در تصویر مشاهده می‌کنید؛ به دست می‌آید.

در این رابطه، اصطکاک ایستایی بیشینه، با ضریب اصطکاک ایستایی متناسب است. این ضریب به جنس سطح تماس دو جسم و صافی و زبری آنها بستگی دارد.

از طرفی این نیرو با نیروی عمودی سطح نیز متناسب است؛ یعنی اگر جرم جسم افزایش یابد؛ نیروی اصطکاک ایستایی بیشینه نیز افزایش خواهد یافت.

این نیرو به مساحت سطح تماس دو جسم بستگی ندارد؛ مثلن اگر جعبه‌ای را به جای سطح بزرگتر، از سمت سطح کوچکترش با زمین تماس دهیم و به آن نیرو وارد کنیم؛ اصطکاک ایستایی بیشینه آن تغییر نخواهد کرد؛ زیرا ما تنها وزن آن را بر سطح کوچکتری متمرکز کرده‌ایم.

جالب است بدانید که اصطکاک جنبشی، به سرعت نیز بستگی ندارد. اتومبیلی که با سرعت کم سر می‌خورد؛ همان اصطکاکی را دارد که در سُرخوردن با سرعت زیاد.

نمونه‌هایی ازکارکرد نیروی اصطکاک ایستایی

در زیر، به چند نمونه از کارکردهای نیروی اصطکاک ایستایی اشاره می‌کنیم:

1. راه‌رفتن هر روزه‌ی ما نتیجه‌ی نیروی اصطکاک ایستایی است. ما با پاهایمان به زمین نیرو وارد می‌کنیم و آن را به سمت عقب هل می‌دهیم. در برابر این نیرو، زمین نیز نیروی اصطکاک ایستایی خلاف جهت آن به پای ما به سمت جلو وارد می‌کند، که همین ما را به سمت جلو هل‌ می‌دهد. اگر نیرو نباشد ما قادر به ایستادن و راه رفتن نخواهیم بود و مدام سُر خواهیم خورد.
2. نیروی اصطکاک ایستایی به عنوان نیروی مرکزگرا در پیچ جاده‌ها و دور میدان‌ها، مانع سر خوردن اتومبیل‌ها می‌شود
3. نیروی اصطکاک ایستایی در بررسی و حل بسیاری از مسائل فیزیک، بویژه فصل دوم فیزیک دوازدهم ریاضی و فصل دوم فیزیک دوازدهم تجربی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نیروی اصطکاک جنبشی

اگر نیروی وارد بر جسم، از بیشینیه نیروی اصطکاک ایستایی بیشتر باشد؛ جسم شروع به حرکت می‌کند. آیا حرکت به این معناست، که دیگر نیروی اصطکاکی بر جسم وارد نمی‌شود؟ خیر.

نیروی اصطکاک همچنان خلاف جهت حرکت بر جسم وارد می‌شود؛ اما مقدارش از بیشینه‌ی نیروی اصطکاک ایستایی، کمتر است؛ یعنی نیروی لازم برای به حرکت درآوردن جسم، همیشه بیشتر از نیرویی است، که برای ادامه حرکت جسم لازم است.

اصطکاک جنبشی از رابطه‌ای که در تصویر مشاهده می‌کنید؛ به دست می‌آید.

در این رابطه، نیروی اصطکاک جنبشی با ضریب اصطکاک جنبشی متناسب است. ضریب اصطکاک جنبشی، به جنس سطح تماس دو جسم و صافی و زبری آنها بستگی دارد. ضریب اصطکاک جنبشی، همواره از ضریب اصطکاک ایستایی بین دو جسم کمتر است.
از طرفی این نیرو با نیروی عمودی سطح نیز متناسب است؛ یعنی اگر جرم جسم افزایش یابد؛ نیروی اصطکاک جنبشی نیز افزایش خواهد یافت.
نیروی اصطکاک جنبشی و ضریب اصطکاک آن، به مساحت سطح تماس دو جسم بستگی ندارد. لاستیک‌های پهنی که زیر بعضی اتومبیل‌ها می‌بینید؛ اصطکاکی بیشتر از لاستیک‌های باریک‌تر ایجاد نمی‌کنند. لاستیک‌های پهن‌تر، فقط وزن اتومبیل را روی سطح بیشتری پخش می‌کنند و از گرم شدن و ساییدگی آنها می‌کاهند.

نمونه‌هایی ازکارکرد نیروی اصطکاک جنبشی

در زیر، به چند نمونه از کارکردهای نیروی اصطکاک جنبشی اشاره می‌کنیم:

• هنگام ترمز کردن اتومبیل، اصطکاک جنبشی که خلاف جهت حرکت خودرو بر آن وارد می‌شود؛ موجب توقف اتومبیل می‌شود.
• هنگام حرکت خودروها، حضور اصطکاک جنبشی مانع از لیز خوردن آنها در سطح خیابان می‌شود.
• وقتی با وسیله‌ای مانند پارو یا خاک‌انداز آب، برف یا زباله را به سمت جلو هل می‌دهیم؛ اصطکاک جنبشی در خلاف جهت آنها را به سمت داخل خاک‌انداز یا پارو می‌کشاند.
• اصطکاک جنبشی یکی از مفاهیمی‌ست، که در طراحی سوالات امتحان نهایی فصل دوم فیزیک دوازدهم تجربی و سوالات امتحان نهایی فصل دوم فیزیک دوازدهم ریاضی مورد توجه طراحان سوال قرار می‌گیرد.

سخن پایانی درباره آموزش نیروی اصطکاک

با آنکه مفهوم اصطکاک در نگاهی سطحی، به عنوان مانع حرکت و تلف‌کننده انرژی تعریف می‌شود؛ اما بدون این نیرو زندگی بسیار سخت می‌شد. اغراق نیست؛ اگر بگوییم نیروی اصطکاک (Friction) از نیروهای حیاتی است.

بدون اصطکاک نه تنها قادر به راه رفتن نبودیم؛ بلکه حتی سنگ هم روی سنگ بند نمی‌شد. برای آموزش نیروی اصطکاک و شناخت کارکردها و کاربردهای بیشتر اصطکاک در زندگی کافی است؛ به دقت بیشتری به رویدادهای اطراف‌مان بنگریم.

سوالات متدوال درباره نیروی اصطکاک

1. اصطکاک چیست؟ اگر به جسمی نیرو وارد شود؛ چه آن جسم حرکت کند و چه ساکن بماند؛ همواره نیرویی خلاف جهت از طرف سطحِ تماس وارد کار می‌شود، که با حرکت جسم مخالف است. به این نیرو، اصطکاک گفته می‌شود.
2. نیروی اصطکاک ایستایی چیست؟ اگر به جسمی نیرو وارد شود و آن جسم ساکن بماند؛ نیرویی خلاف جهت از طرف سطحِ تماس به جسم وارد می‌شود، که با حرکت جسم مخالف است. به آن، نیرو اصطکاک ایستایی گفته می‌شود.
3. نیروی اصطکاک جنبشی چیست؟ اگر به جسمی نیرو وارد شود و آن جسم حرکت کند؛ نیرویی خلاف جهت از طرف سطحِ تماس به جسم وارد می‌شود که با حرکت جسم مخالف است. به این نیرو، اصطکاک جنبشی گفته می‌شود.
4. ضریب اصطکاک جنبشی به چه عواملی بستگی دارد؟ به جنس سطح تماس دو جسم و صافی و زبری آنها.
5. نیروی اصطکاک چه تاثیری بر نیروی خالص وارد بر جسم دارد؟ نیروی خالص وارد بر جسم را کاهش می‌دهد
6. نیروی اصطکاک وارد بر جعبه‌ای روی زمین هموار که بر اثر هل دادن شما حرکت نمی‌کند چقدر است؟ برابر است با نیروی وارد بر جعبه.
7. وقتی جعبه شروع به لغزیدن کرد؛ چطور باید آن را هل دهید تا حرکت آن با سرعت ثابت تداوم یابد؟ باید نیروی اصطکاک جنبشی با نیروی وارد بر جعبه برابر باشد؛ تا نیروی خالص وارد بر جسم صفر شود.
8. کدام‌یک معمولن بزرگتر است؛ نیروی اصطکاک ایستایی یا نیروی اصطکاک جنبشی وارد بر یک جسم؟ نیروی اصطکاک ایستایی
9. نیروی اصطکاک چگونه با سرعت تغییر می‌کند؟ اصطکاک به سرعت جسم بستگی ندارد و تنها به جنس سطح تماس دو جسم و صافی و زبری آنها بستگی دارد.
10. جسمی را روی پهن‌ترین سطح آن بلغزانید؛ سپس جسم را برگردانید؛ به طوری‌که روی باریک‌ترین سطحش بلغزد؛ در کدام مورد اصطکاک بیشتر است؟ اصطکاک تغییری نمی‌کند. اصطکاک به مساحت سطح تماس بستگی ندارد.
11. وقتی بازیکن خط دفاع در فوتبال توپ را مهار می‌کند؛ اغلب سعی می‌کند؛ بدنش را زیر بدن حریف ببرد و روبه بالا فشار آورد. این کار چه تاثیری بر اصطکاک بین پاهای حریف و زمین دارد؟ سبب کاهش اصطکاک بین پاهای حریف و سطح زمین می‌شود؛ تا نتواند تعادل خود را حفظ کند.