חיכוך

איור 1.

איור 1 מראה ארבעה כוחות הפועלים על עצם היושב על מישור אופקי. מתאים לכוח אופקי כלשהו שהוחל. הוא כוח הכבידה על האובייקט, אשר מותאם באופן שווה אך בכיוון ההפוך על ידי הכוח הרגיל, . הכוח הנורמלי הוא תוצאה של משטח הפועל על עצם בניגוד לכוח המשיכה. הכוח הרגיל מסביר מדוע ספר לא פשוט נופל דרך השולחן שעליו הוא נח. לבסוף, התנגדות לכוח המופעל היא הכוח החיכוך, . הכוח החיכוך הוא פרופורציונלי לכוח הרגיל:

,(משוואה 1)

איפה מקדם החיכוך.

יש למדוד את מקדם החיכוך באופן ניסיוני והוא מאפיין התלוי בשני החומרים הנמצאים במגע. ישנם שני סוגים של מקדמי חיכוך: חיכוך קינטי, , כאשר אובייקטים כבר בתנועה, וחיכוך סטטי, כאשר אובייקטים נמצאים במנוחה ודורשים כמות מסוימת של כוח כדי לזוז. עבור אובייקט המחליק לאורך נתיב, הכוח הנורמלי שווה למשקל האובייקט. לכן, הכוח החיכוך תלוי רק במקדם ובמסה של אובייקט.

אם העצם נמצא במישור נוטה, הכוח הנורמלי מאונך לשיפוע ואינו שווה ומול למשקל כפי שניתן לראות באיור 2.

איור 2.

במקרה זה, רק רכיב של שווה ערך לכוח הרגיל, בהתאם לזווית θ:

. (משוואה 2)

זווית הננוחה מוגדרת כנקודה שבה כוח הכבידה על אובייקט מתגבר על כוח החיכוך הסטטי והאובייקט מתחיל להחליק במורד מישור נוטה. קירוב טוב לזווית הננוחה הוא:

. (משוואה 3)

במעבדה זו, שתי מחבתות מתכת ישמשו לייצוג חומרים עם מקדמי חיכוך שונים. בלוק A יהיה תחתון נייר חול, אשר יגרום מקדם גבוה יותר של חיכוך, בעוד בלוק B יהיה תחתון מתכת חלק.

 טבלה 1. מקדמי חיכוך.

חסימה
A	0.68	0.60
B	0.52	0.47

טבלה 2. השפעת משקל ושטח הפנים על עוצמת החיכוך.

מדידה	(נ)	פקטור שבאמצעותו הוא גדול יותר או קטן יותר
בלוק ב' ב-A	16	עם שלב 1.4 = 2.3
בלוק A ב- B	14	עם שלב 1.5 = 2.5
שטח פנים קטן	5	עם שלב 1.4 = 0.9

טבלה 3. זווית מנוחה.

חסימה	זווית מנוחה (°)
A	30	0.58
B	24	0.45

התוצאות שהתקבלו מהניסוי תואמות את התחזיות שנעשו על ידי משוואות 1 ו -2. בשלב 1, החיכוך הסטטי היה גדול יותר מהחיכוך הקינטי. זה תמיד המקרה, כמו כוח רב יותר נדרש כדי להתגבר על חיכוך כאשר אובייקט הוא לא כבר בתנועה. בשלב 2, אושר כי כוח החיכוך היה פרופורציונלי למשקל של שני הבלוקים ומקדם החיכוך הקינטי של הבלוק במגע עם השולחן. התוצאה של שלב 3 מאשרת כי שטח הפנים אינו משפיע על כוח החיכוך. בשלב 4, ניתן להעריך את זווית הננוחה על-ידי משוואה 3. השגיאה הקשורה למעבדה נובעת מהקושי לקרוא את סולם הכוח תוך שמירה על מהירות קבועה עבור בלוק ההזזה. על ידי לקיחת מספר מדידות וחישוב הממוצע, ניתן להפחית אפקט זה.

חיכוך נמצא בכל מקום בחיי היומיום שלנו. למעשה, לא ניתן יהיה ללכת בלעדיו. אם מישהו היה מנסה ללכת על משטח ללא חיכוך, הוא לא היה הולך לשום מקום. רק החיכוך בין תחתית רגליו לקרקע כשריריו דוחפים את הקרקע דוחף אותו קדימה.

כמעט בכל היבט של התעשייה, מהנדסים מנסים להפחית את החיכוך. כאשר שני משטחים נמצאים במגע, תמיד יהיה חיכוך. זה יכול ללבוש צורה של חום, כגון החום הרגיש כאשר מישהו משפשף את ידיה במהירות יחד. ביישומים תעשייתיים, חום זה יכול לפגוע במכונות. כוחות חיכוך גם מתנגדים לתנועת האובייקטים ויכולים להאט את הפעולות המכניות. לכן, חומרים כמו חומרי סיכה משמשים כדי להקטין את מקדם החיכוך בין שני משטחים.

טבלה 4. מקדמי חיכוך לדוגמה.

חומרים
עץ על עץ	0.2
פליז על פלדה	0.44
גומי על בטון	0.8
מיסבים כדוריים משומנים	< 0.01

בניסוי זה נמדדו מקדמי החיכוך הסטטי והקינטי לשני גושי הזזה שונים. נבחנה השפעת המסה על עוצמת החיכוך, יחד עם השפעת שטח הפנים. לבסוף, נמדדה זווית הנחה לבלוק במישור נוטה.