قوة الاحتكاك

ما هي قوة الاحتكاك؟

تعرف قوة الاحتكاك (بالإنجليزية: Frictional Force) بأنها القوة التي تنشأ بين سطحين نتيجةً لتلاصقهما وتحركهما باتجاهين متعاكسين، والاحتكاك هو القوة التي تُقاوم حركة سطح عند تلامسه لسطح آخر، ويوجد الاحتكاك في جميع نواحي الحياة، فمثلًا، تحتك عجلات السيارة مع الشارع، وتحتك الأقدام مع الأرض عند المشي.

أنواع قوة الاحتكاك

يوجد عدة أنواع لقوة الاحتكاك وتندرج هذه الأنواع فيما يأتي:

الاحتكاك الساكن

الاحتكاك الساكن (بالإنجليزية: Static friction ) هي القوة التي تنشأ بين سطحين صلبين ساكنين، تؤدي إلى بقائهما في الحالة الساكنة غير المتحركة، حيث أن قوة الاحتكاك الساكن تقاوم أي قوة خارجية تؤدي إلى تحريك الجسمين أو السطحين عن بعضهما لذلك تبقى الأسطح في الحالة الساكنة.

الاحتكاك المتحرك

تنشأ قوة الاحتكاك المتحرك (بالإنجليزية: Kinetic friction) بين سطحين صلبين متحركين، حيث أن الجسم الذي يتحرك على سطح ما تعترضه قوة بالاتجاه المعاكس لحركته فتُعرف قوة الاحتكاك بأنها مقاومة الحركة لسطح ما، والتي تنتج عن ملامسة هذه السطح لسطح آخر أثناء تحركه، وتعمل على معاكسة اتجاه حركة السطح.

الاحتكاك المائع

تنشأ قوة الاحتكاك المائع (بالإنجليزية: Fluid friction) بين الغازات والسوائل، وتعرف بأنها القوة التي تمنع وتعيق حركة أو تدفق السائل، حيث أن سطح السائل هنا هو الذي يُقاوم الحركة، وإذا تحلّى كلا السائلين بأسطح تقاوم الحركة، تتصف الحالة الناتجة حينها بأنها عالية اللزوجة، وتكون الأسطح فيها عادةً دهنية أو زيتية.

الاحتكاك الزلق

قوة الاحتكاك الزلق (بالإنجليزية: Sliding friction) وهي القوة التي تنشأ بين سطحين صلبين عند تحركهما انزلاقًا كلًا بعكس اتجاه الآخر، وهي القوة التي يحتاجها السطح حتى يبقى متحركًا في حالة الانزلاق دون التوقف، حيث أنه مع توقف الجسم عن الحركة سوف تتحول القوة إلى قوة الاحتكاك الساكن.

الاحتكاك الجاف

أما الاحتكاك الجاف (بالإنجليزية: Dry friction) فهو القوة التي تنشأ بين سطحين صلبين متصلين مع بعضهما، سواء أكان السطحين في الحالة المتحركة والتي تمثل حينها الاحتكاك المتحرك، أو كانا في الحالة الساكنة والتي تمثل قوة الاحتكاك الساكن.

قانون قوة الاحتكاك

لحساب قوة الاحتكاك يمكن استخدام القانون الآتي:

قوة الاحتكاك = معامل الاحتكاك × القوة العامودية

وبالرموز:

ق ح= م ح × ق ع

حيث أن:

• ق ح : قوة الاحتكاك، وتقاس بوحدة نيوتن.
• م ح: معامل الاحتكاك، حيث أنَ لكل سطح مادة معامل احتكاك خاص بها يختلف باختلاف خشونة السطح.
• ق ع: القوة العامودية، وتقاس بوحدة نيوتن.

ويمكن التعبير عن القوة العامودية من خلال القانون الآتي:

القوة العامودية = الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية

وبالرموز:

ق ع = ك × ت ج

حيث أن:

• ق ع : القوة العامودية وتقاس بالنيوتن.
• ك: الكتلة وتقاس بوحدة كغ.
• ت ج : تسارع الجاذبية الأرضية والتي تساوي 9.8 م/ث ².

لكن في حال حساب قوة الاحتكاك للأسطح المائلة، فيمكن التعبير عن القوة العامودية من خلال القانون الآتي:

القوة العامودية = الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية × جيب تمام الزاوية θ

بالرموز:

ق ع = ك × ت ج × جتاθ

حيث أن:

• θ: زاوية ميلان السطح.

فوائد قوة الاحتكاك

توفر قوة الاحتكاك العديد من الفوائد في حياة الإنسان ، ومن هذه الفوائد ما يأتي:

• تعد قوة الاحتكاك هي المسؤولة عن العديد من أنواع الحركة.
• تساعد قوة الاحتكاك على المشي بحرية على سطح الأرض.
• تساعد قوة الاحتكاك في حركة مكابح السيارات مما يمكنها من التوقف بحرية.
• تُولد قوة الاحتكاك الشعور بالدفء عند فرك اليدين ببعضهما.
• تحمي قوة الاحتكاك الكرة الأرضية من تصادم الكويكبات حيث تعمل على إحراق الكويكبات في الفضاء الخارجي قبل وصولها إلى الأرض.
• تمنع قوة الاحتكاك من انزلاق الأشياء، فتمنع من انزلاق متسلقي الجبال، كما تمنع من انزلاق الأشياء عند حملها.
• تساعد قوة الاحتكاك في طيران الطائرات وجعل المظلات تطفو في السماء.

أضرار قوة الاحتكاك

أما عن الأضرار الناتجة عن قوة الاحتكاك ما يأتي:

• تؤدي قوة الاحتكاك إلى إنتاج حرارة زائدة غير ضرورية، مما يؤدي إلى فقدان جزء من الطاقة.
• عادةً ما يكون المسبب في حرائق الغابات هو قوة الاحتكاك الناتجة بين أوراق الأشجار.
• تتولد قوة الاحتكاك في الاتجاه المعاكس للحركة، مما يؤدي إلى تباطؤ سرعة الأجسام المتحركة.
• تسبب قوة الاحتكاك خسارة للأموال، ويكون ذلك بسبب الحاجة إلى تزييت وتشحيم الأسطح نتيجةً لعمليات التآكل الناتجة عنها.

وسائل للتقليل من قوة الاحتكاك

يوجد عدد من الوسائل التي استخدامها لتقليل قوة الاحتكاك ، وبالتالي تقليل آثارها الضارة، ومن هذه الوسائل ما يأتي:

• اللجوء إلى جعل الأسطح أكثر نعومة، مثل تنعيم الأسطح في قاعات التزلج.
• اللجوء إلى التزييت والتشحيم في المحركات وتروس التعشيق لها.
• اللجوء إلى جعل شكل الجسم انسيابيًا أكثر، مثل تغيير شكل مقدمة القطار ليصبح أكثر انسيابية.
• تقليل وزن الجسم أو القوة الضاغطة عليه مما يساهم في تقليل الاحتكاك مثل؛ سحب الأجسام الثقيلة على أسطح مائلة.
• يمكن اللجوء إلى تقليل التواصل ما بين الأسطح المختلفة، وذلك عن طريق استخدام تقنيات حديثة معينة مثل الرفع المغاطيسي.
• اللجوء إلى الاحتكاك المائع بدلًا من الجاف.

أمثلة من حياتنا اليومية على قوة الاحتكاك

تؤثر قوة الاحتكاك على حياة الإنسان، فهي تدخل في جميع نواحي الحياة اليومية، ومن الأمثلة على وجود قوة الاحتكاك في حياتنا اليومية ما يأتي:

• تمكن قوة الاحتكاك من إشعال عود الثقاب.
• تمكن من تنظيف الأسنان لإزالة المواد العالقة.
• تمكن من مسح الأسطح وتنظيفها عن طريق فركها بقطع أكثر خشونة منها.
• تساعد على كي الملابس، حيث يعمل الاحتكاك على إعطاء القماش شكلًا متناسقًا.
• تحافظ على بقاء النظارة ثابتة على الأنف عند ارتداء النظارات.
• تمكن من التقاط الأشياء المختلفة، مثل؛ رفع كأس الماء، أو التقاط كرة السلة.
• تساعد على ثبات السلم عند وضعه على الحائط؛ لاحتكاك طرفيه بأسطح خشنة.
• تدخل في عملية القفز المظلي.
• تساعد على ارتفاع الطائرة الورقية في السماء، بسبب الاحتكاك مع جزيئات الهواء.
• تمكن الحيوانات من الطيران مثل العصافير والخفافيش.
• تساعد على الكتابة على الورق والأسطح المختلفة.

مسائل على قوة الاحتكاك

وفيما يأتي بعض الأمثلة على قوة الاحتكاك:

• مثال 1: 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:

1. عند تطبيق القانون ق ح = م × ق ع والقانون ق ع = ك × ت ج
2. بتعويض القيم حيث م = 0.05، ك = 300، ت ج = 9.8
3. ق ح = 0.05×300×9.8
4. يكون الناتج لقوة الاحتكاك يساوي 147 نيوتن
5. حيث أن قوة الاحتكاك الناتجة بعكس اتجاه تحرك قطعة الثلج تساوي 147 نيوتن.

• مثال 2: 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:

1. عند تطبيق القانون ق ح= م × ق ع والقانون ق ع = ك × ت ج
2. تعويض المعطيات حيث م= 0.4، ك = 40 كغ، ت ج = 9.8
3. إيجاد قوة الاحتكاك (F) = 156.8 نيوتن
4. أي أن قوة الاحتكاك الناتجة بين القارب والوحل تساوي 156.8 نيوتن.

• مثال 3: كأس من الماء كتلته 2 كغ، يدفعه شخص على سطح زجاجي أفقي بمعامل احتكاك يساوي 0.4، احسب قوة الاحتكاك بين السطحين؟

الحل:

1. عند تطبيق القانون ق ح= م × ق ع والقانون ق ع = ك × ت ج
2. تعويض المعطيات حيث م = 0.4، ك = 2 كغ، ت ج = 9.8
3. إيجاد قوة الاحتكاك (F) = 7.85 نيوتن
4. أي أن قوة الاحتكاك الناتجة بين الكأس والسطح تساوي 7.85 نيوتن.

• مثال 4: كأس من الماء كتلته 2 كغ، يدفعه شخص على سطح زجاجي مائل بدرجة 20 درجة بمعامل احتكاك يساوي 0.4، احسب قوة الاحتكاك بين السطحين؟

الحل:

1. عند تطبيق القانون ق ح= م × ق ع والقانون ق ع = ك × ت ج × جتاθ
2. وبتعويض معطيات السؤال حيث م= 0.4، ك = 2 كغ، ت ج = 9.8، θ = 20
3. إيجاد قوة الاحتكاك (F) = 7.37 نيوتن
4. أي أن قوة الاحتكاك الناتجة بين الكأس والسطح تساوي 7.37 نيوتن.