مفهوم الاحتكاك
قوة الاحتكاك (بالإنجليزية: Frictional Force) هي القوة التي تنشأ بين سطحين سواء في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية، نتيجةً لتلاصق هذين السطحين وتحركهما باتجاهين متعاكسين، بمعنى آخر، فإنّ القوة التي تُقاوم حركة سطح عند تلامسه مع سطح آخر هي قوة الاحتكاك، وتحيط قوة الاحتكاك بالإنسان في جميع نواحي الحياة، فمثلًا، تتعرض الآلات لقوة الاحتكاك الأمر الذي يؤدي إلى فقدانها بعضًا من طاقتها.
إضافةً إلى أنّ قوة الاحتكاك تؤثر على سير السيارة في الطريق، فتفقدها ربع طاقتها الناتجة وذلك بسبب الاحتكاك مع الشارع، وقوة احتكاك إطارات السيارة هي التي تحافظ على استقامة السيارة أثناء سيرها، وهي التي تعطي لفرامل السيارة مفعولها عند الضغط عليها.
علاقة معامل الاحتكاك بالاحتكاك
عند تحرك سطحان صلبان بعكس اتجاه بعضهما تتولد بينهما قوة الاحتكاك المتحرك، وإنّ نسبة قوة الاحتكاك المقاومة لحركة السطحين المتلامسيْن إلى القوة الطبيعية التي تضغط على كلا السطحين، هي ما يُعرف بمعامل الاحتكاك (coefficient of friction)، ويتم حساب قيمته من خلال التجربة، مع العلم أنّ قوة الاحتكاك لا تعتمد على مدى سرعة تحرك السطحين.
أنواع الاحتكاك
فيما يأتي أهم أنواع الاحتكاك:
الاحتكاك المتحرك
يعرف الاحتكاك المتحرك أو الاحتكاك الحركي (بالإنجليزية: Kinetic Friction) بأنّه القوة التي تنشأ بين سطحين صلبين متحركين غير ثابتين، إذ إنّ الجسم الذي يتحرك على سطح ما تعترضه قوة معاكسة لاتجاه حركته، وتنشأ هذه القوة عن السطح الملامس له، وتمنعه من الانزلاق، وتعتمد قيمة قوة الاحتكاك المتحرك على معامل الاحتكاك بين السطحين، ويمكن أن تُعرف قوة الاحتكاك المتحرّك أيضًا بأنّها مقاومة الحركة التي تنتج عن حركة سطحين أو جسمين متلاصقين متعاكسيْن في الاتجاه.
ومن الأمثلة على قوة الاحتكاك المتحرك ما يأتي:
- فرك جسمين ببعضهما، وعادة ما ينتج عن هذا الاحتكاك طاقة حرارية، وقد تشتعل نارًا بحسب طبيعة السطحين.
- عملية تآكل الآلات تنتج عن قوة الاحتكاك المتحرك، وعادة ما تحتاج الآلات إلى تزييت مستمر.
الاحتكاك الساكن
ينشأ الاحتكاك الساكن (بالإنجليزية: Static Friction) بين سطحين في الحالة الصلبة، ويعرف بأنّه القوة الناشئة بين سطحين صلبين ساكنين غير متحركين، وقوة الاحتكاك الساكن هي القوة التي تحافظ على بقاء الأجسام في حالتها الساكنة، ويمكن تعريفها أيضًا بأنّها القوة التي تحدث عندما يحاول شخص تحريك جسم ثابت على سطح ما، لكن دون المقدرة على تحريك الجسم عن السطح فيبقى الجسم ثابتًا، وتتميز قوة الاحتكاك الساكن بكونها دائمًا مساوية في القيمة ومعاكسة في الاتجاه للقوة المبذولة عليها من أجل تحريكها.
قوة الاحتكاك الساكن تعمل على مقاومة القوة المبذولة عليها، لذلك يبقى الجسم ساكنًا حتى يتم بذل قوة عليها أعلى من قوة الاحتكاك الساكن مما يؤدي إلى تحريك الجسم، ودائمًا ما تتراوح قيمة قوة الاحتكاك الساكن ما بين صفر إلى أقل قيمة تؤدي إلى تحرك الجسم، ولذلك فإن أصغر قيمة للقوة التي تؤدي إلى تحريك جسم ما عن السطح سوف تكون قيمتها أعلى من قيمة قوة الاحتكاك الساكن لذلك الجسم.
ومن الأمثلة على قوة الاحتكاك الساكن ما يأتي:
- وضع الورقة على الطاولة.
- تعليق المنشفة على العلاقة.
- اصطفاف السيارة في الشارع.
فوائد الاحتكاك
تدخل قوة الاحتكاك في جميع نواحي الحياة، ولها الأثر الكبير على طبيعة الحياة اليومية، ومن فوائد قوة الاحتكاك ما يأتي:
- تعتبر قوة الاحتكاك مسؤولة عن الحركة الطبيعية للأجسام في الحياة.
- تساعد قوة الاحتكاك على طريقة المشي الصحيحة على الأرض.
- تعتبر قوة الاحتكاك المسؤولة عن حركة مكابح السيارات التي تؤدي إلى توقف السيارة عند الضغط عليها.
- عند فرك الأجسام ببعضها، مثل فرك اليدين، أو فرك عيدان من الخشب، تنتج الطاقة الحرارية نتيجةً لقوة الاحتكاك.
- تحترق الكويكبات في الفضاء الخارجي نتيجة لقوة الاحتكاك مما يؤدي إلى حماية الأرض من خطر تساقطها من الفضاء.
الآثار السلبية للاحتكاك
كما لقوة الاحتكاك الفوائد العظيمة على حياة الإنسان والحيوان، يوجد لها بعض الآثار السلبية والأضرار الناتجة عنها، ومن هذه الأضرار ما يأتي:
- تعمل قوة الاحتكاك على توليد طاقة حرارية زائدة، هذه الطاقة تعتبر طاقة ضائعة عند عدم الحاجة إليها.
- تتسبب قوة الاحتكاك بين أوراق الأشجار في حرائق الغابات، وقد تمتد هذه الحرائق إلى مساحات شاسعة.
- تتسبب قوة الاحتكاك في صرف المال الزائد، وذلك يكون عبر اللجوء إلى طرق تقلل من قوة الاحتكاك لتجنب أضرارها، فمثلًا، تدعو الحاجة إلى المحافظة على عملية التشحيم والتزييت للآلات بسبب تآكل الآلات الناتج عن قوة الاحتكاك.
- تتسبب قوة الاحتكاك في تبطيء حركة الأجسام وذلك لأنها تنتُج معاكسة لاتجاه حركة الأجسام.
كيفية تقليل الآثار السلبية للاحتكاك
يمكن اللجوء إلى عدد من الطرق من أجل تقليل قوة الاحتكاك، ومن ثمّ تقليل الآثار السلبية الناتجة عن قوة الاحتكاك، وتندرج بعض من هذا الطرق فيما يأتي:
- جعل الأسطح ملساء أو أقل خشونة، ويمكن عمل ذلك بطرق عديدة، مثل استخدام ورق الحاف الخاص، أو المواد الكيميائية، أو عملية الطحن.
- استخدام وسائل التزييت والتشحيم المختلفة، مثل تشحيم محرك السيارة.
- صنع الأجسام بشكل انسيابي، مثل مقدمة الطائرة أو مقدمة القطارات حديثة الصنع.
- تقليل وزن الجسم أو تقليل قوة الضغط عنه.
- تقليل ملامسة الأسطح لبعضها، ويمكن تطبيق ذلك بعدة طرق مثل طريقة الرفع المغناطيسي ( Magnetic levitation).
أمثلة حياتية على الاحتكاك
يُساعد الاحتكاك في الحياة اليومية على:
- المشي والركض.
- الكتابة على الورقة، والكتابة على اللوح.
- عمل مكابح السيارات، حيث أن عمل المكابح يعمل على مبدأ قوة الاحتكاك.
- تثبيت السلم على الحائط باستخدام قوة الاحتكاك.
- تثبيت المسمار في الحائط.
- تشغيل عود الثقاب.
- تقليب صفحات الكتاب.
- حمل الأغراض دون سقوطها، مثل حمل كرة السلة، أو حمل كأس من الماء.
- حركة الأسماك، والقوارب في مياه البحر.
- طيران الطائرات، والطيور مثل العصافير والخفافيش، والطيارات الورقية.
مسائل تدريبية على الاحتكاك
فيما يلي مسائل تدريبية على الاحتكاك:
إيجاد قوة الاحتكاك إذا كانت الكتلة ومعامل الاحتكاك معلوميْن
قطعة كبيرة من الثلج تتحرك في بحيرة جليدية، كتلتها 300 كغ، ومعامل الاحتكاك ما بين السطحين هو 0.05، ما هي قوة الاحتكاك الناتج عنها؟
الحل:
- تطبيق القانون: قوة الاحتكاك = القوة الضاغطة × معامل الاحتكاك، وبالرموز: ق ح = ق ض * µ حيث:
- ق ح: قوة الاحتكاك.
- ق ض: القوة العمودية أو الضاغطة، حيث ق ض = الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية، وتسارع الجاذبية الأرض ثابت = 9.8.
- µ: معامل الاحتكاك.
- تعويض القيم: ق ح = ق ض * µ
- ق ح = (300*9.8)*0.05
- ق ح = 147 نيوتن
- أي أنّ قوة الاحتكاك الناتجة بعكس اتجاه تحرك قطعة الثلج تساوي 147 نيوتن.
إيجاد قوة الاحتكاك إذا كان معامل الاحتكاك وكتلة الجسم معلوميْن
سؤال: رجل يتوجب عليه دفع قاربه باتجاه الشاطئ مع وجود الكثير من الوحل على الأرض، معامل الاحتكاك ما بين القارب والوحل يساوي 0.4، بينما يزن القارب 40 كغ، ضمن هذه المعطيات احسب قوة الاحتكاك الناتجة بين السطحين؟
الحل:
- يتم استخدام المعطيات حيث μ = 0.4 / الكتلة= 40 كغ / تسارع الجاذبية = 9.8
- وبتعويض المعطيات في القانون ق ح = ق ض * µ أي:
- ق ح = (40 × 9.8) × 0.4
- يتم إيجاد قوة الاحتكاك ق ح = 156.8 نيوتن
- أي أن قوة الاحتكاك الناتجة بين القارب والوحل تساوي 156.8 نيوتن.
الملخص
يمثل الاحتكاك قوة مهمة جدًا في حياة الإنسان بجميع جوانبها، إذ من خلاله يمكن للطائرات والعصافير الطيران، ويمكن للإنسان والسيارات السير بطريقة مستقيمة وثابتة، ويُمكن حمل كأس الماء دون سقوطها، لكنه قد يسبب بعض الآثار الجانبية، مثل توليد الطاقة الضائعة، ولذلك وجدت الحلول التي تعمل على التقليل من آثار قوة الاحتكاك مثل اللجوء إلى تمليس الأسطح إضافة إلى استخدام وسائل تزييت وتشحيم الآلات المناسبة.
