مفهوم الاحتكاك وأشكاله
يعرّف الاحتكاك بأنّه القوة المقاومة للحركة والتي تحدث عند تحرك سطحين متلاصقين باتجاهين مختلفين، وتحدث أيضاً داخل المادة نفسها كما يحدث في الموائع، ويقسم إلى قسمين هما: الاحتكاك الحركي و الاحتكاك السكوني ، وفي هذا المقال سوف نستعرض مفهوم الاحتكاك الحركي وقوانينه وتطبيقاته.
تعريف الاحتكاك الحركي
يعرّف الاحتكاك الحركي بأنه القوة التي تحدث بين سطحين متحركين وتكون معاكسة لاتجاه الجسم المتحرك، وتعتمد حجم القوة على معامل الاحتكاك الحركي بين المادتين ويرمز لها فيزيائياً برمز (F k ) ، ويمكن تبسيطها بالقول إنها القوة المقاومة لانزلاق الجسم على سطح معيّن حيث تتجه القوة بالاتجاه المعاكس للاتجاه الذي ينزلق به الجسم، ومن الأمثلة على ذلك عند السير بمركبة على الطريق وأراد السائق إيقاف المركبة سوف يقوم بالضغط على المكابح مما يولد قوة احتكاك حركية بعكس اتجاه مسير المركبة فتتوقف، لكن إذا أردنا التوقف عن المسير على أرض جليدية سوف نواجه صعوبة أكبر للوقوف بسبب انخفاض معامل الاحتكاك الحركي للجليد، ومن الجدير بالذكر أن التغلب على الاحتكاك الساكن وبدء الجسم المتحرك بالحركة يزيل العوائق الجزيئية في السطح الثابت من خلال تآكل سطح المادة الثابتة، وبعد تغلّب الجسم المتحرك على قوة الالتصاق بين السطحين يبدأ الجسم بالسير تحت تأثير الاحتكاك الحركي حيث أنّ قوة الاحتكاك الحركي أقلّ بكثير من قوة الاحتكاك الساكن.
قوانين قوة الاحتكاك الحركي
هناك أربعة قوانين ثابتة للاحتكاك الحركي، نتسعرضهم فيما يأتي:
- القانون الأول: تتناسب قوة الاحتكاك الحركي (F k ) طردياً مع القوة العامودية للجسم (N) بين سطحين متصلين .
- القانون الثاني: لا يؤثر شكل أو المساحة الظاهرة للسطح الملامس على قوة الاحتكاك الحركي.
- القانون الثالث: تؤثر طبيعة ومادة السطح الملامس على قوة الاحتكاك الحركي.
- القانون الرابع: لا تؤثر سرعة الجسم المتحرك على قوة الاحتكاك الحركي بشرط أن لا يكون الفرق في السرعة النسبية بين الجسم المتحرك والثابت كبير جداً.
صيغة الاحتكاك الحركي
يكتب معامل الاحتكاك الحركي بالحرف الإغريقي (mu) ويرمز له بالرمز (μ ) ويضاف إليه حرف فرعي لتمييزه عن معامل الاحتكاك السكوني وهو ( k ) اختصارا للكلمة الإنجليزية (kinetic) والتي تعني حركي.
تكتب المعادلة الفزيائية للاحتكاك الحركي كالتالي: - [3]
قوة الاحتكاك الحركي = معامل الاحتكاك الحركي * القوة العامودية للجسم
والصغية بالإنجليزية هي: Fk = μk η
Fk = هي قوة الاحتكاك الحركي.
μk = هو معامل الاحتكاك الحركي.
η = هي القوة العامودية المساوية لوزن الجسم والمعاكسة له بالاتجاه.
اشتقاق صيغة الاحتكاك الحركي
إنّ كتلة الجسم الملتصق بسطح تتأثر بقوة الجاذبية للأسفل مما يولّد قوة وزن الجسم باتجاه الأسفل مما يؤدي إلى رد فعل عكسي من السطح المعرّض للوزن ويولّد قوة طبيعية عمودية معاكسة لاتجاه الوزن ومساوية لها بالقيمة.
وتكتب المعادلة بالشكل التالي:
الوزن = القوة العمودية = كتلة الجسم * ثابت الجاذبية الأرضية
W = η = M*g: حيث إن
وزن الجسم ويقاس بالنيوتن: W
القوة العمودية الطبيعية وتقاس بالنيوتن: η
وزن الجسم ويقاس بالكيلو جرام: M
g: ثابت الجاذبية الأرضية وهو (9.18 م\ث²)
لنفترض أن الجسم الملاصق لسطح معيّن تعرض لقوة (F) باتجاه اليمين، سوف تقاوم هذه القوة بقوة متجهة للأسفل (Fn) وقوة الاحتكاك السكوني (Fs) متجهة لليسار، فإذا زادت القوة وبدأ الجسم بالتغلب على مقاومة السطح (μs) سوف تتولد قوة الاحتكاك الحركي باتجاه معاكس لحركة الجسم، كما يتمثل في المعادلة الآتية:
Fk = μk η
أي أن العلاقة بين القوة العمودية (الوزن) ومعامل الاحتكاك الحركي يتناسب طردياً مع قوة الاحتكاك الحركي بشكل يقاوم حركة الجسم على السطح.
تطبيقات الاحتكاك الحركي
هناك الكثير من التطبيقات التي نجدها في واقعنا للاحتكاك الحركي، نستعرض فيما يأتي العديد منها بشكل يسهل على القارئ فهم هذه العملية الفيزيائية:
- نحك اليدين ببعضها في الشتاء عند الشعور بالبرد لأنّ الاحتكاك بين اليدين يولّد الطاقة الحرارية التي تُشعر الإنسان بالدفء.
- تصنع إطارات السيارات بفرزات على سطح الإطار لزيادة الاحتكاك بين الإطار والطريق، وذلك حسب القانون الثالث للاحتكاك الحركي بأنّ طبيعة المادة تؤثر في قوة الاحتكاك الحركي.
- تستخدم الزيوت في الأجزاء الميكانيكية الدوّارة كالمسننات والتروس التفاضلية لتحسين الاحتكاك بين الأجزاء الميكانيكية وحمايتهم من التآكل المبكر، لأنّ الزيوت لديها معامل احتكاك حركي أقلّ بكثير من المواد الصلبة .
