اصطکاک استاتیک در مقابل اصطکاک جنبشی: تفاوتهایی که شاید ندانید

در دوره‌های اصلی فیزیک، اصطکاک یک مفهوم فیزیکی بسیار مهم برای یاد گیری است. سال‌هاست که مورد مطالعه بوده و ما امروز یک فرمول بندی نظری تجربی داریم که این پدیده را شکل بندی و آن را کمیتی می‌کند.
 

اصطکاک چیست؟

اصطکاک، نیروی مقاومت مخالف حرکت بین دو سطح سیال، جامد یا هر ماده‌ای است که در جهت جلوگیری از حرکت نسبی بین آنها عمل می‌کند. همیشه در تقابل با جهت حرکت هدایت می‌شود. اصطکاک یک نیروی اساسی طبیعت نیست. این یک نیروی ماکروسکوپی است که از تعامل الکترومغناطیسی بین دو سطحِ در تماس با یکدیگر ناشی می‌شود.
 
پیاده روی به دلیل وجود نیروی اصطکاک موجود بین سطح زیرین کفش یا صندل با جاده‌ها امکان پذیر است. بر خلاف این، پیاده روی روی سطوح بسیار صیقلی مانند کف‌های چرب، کاری دشوار است زیرا اصطکاک کمتری در بین کفش و کف وجود دارد. هرچه به اطراف خود نگاه کنید، خواهید فهمید که این یک پدیده فراگیر در کار است که تأثیر زیادی بر دنیای اطراف ما دارد.
 
بسته به ماهیت مواد، انواع مختلفی از اصطکاک وجود دارد که بین دو سطح ایجاد می‌شود. اصطکاک خشک عبارت است از نیروی اصطکاک ایجاد شده بین سطوح جامدِ در تماس با یکدیگر. طبق نظریه‌ای تجربی، این نیرو با فرمول زیر تعریف می‌شود:
 
F ≤ μN
 
که در آن 'μ' ضریب اصطکاک و "N" نیروی عمود بین دو سطح است.
 

تفاوت بین اصطکاک ایستا و جنبشی

استاتیک (یا ایستا) و دینامیک (یا جنبشی یا پویا) دو ایده مخالف هم هستند. استاتیک به سیستمی اطلاق می‌شود که با گذشت زمان تغییر نمی‌کند، در حالی که دینامیک به سیستم در حال حرکت اطلاق می‌شود.
 

تعریف

اصطکاک استاتیک نیروی اصطکاکی است که بین دو سطح جامد غیر متحرک وجود دارد. حرکت نسبی جانبی بین این دو سطح، توسط نیروی اصطکاک ایستا متوقف می‌شود. به دلیل آن، هیچ لغزشی وجود ندارد و بنابراین، حرکتی وجود ندارد.
 
اصطکاک جنبشی بین دو سطح جامد در حال حرکت که در تماس با یکدیگرند رخ می‌دهد. اگرچه اشیاء در حال حرکت هستند، نیروی اصطکاک به طور کامل از بین نمی‌رود و همچنان به عنوان یک نیروی مقاوم در برابر حرکت وجود دارد.
 

ضریب

ضرایب اصطکاک ایستا و جنبشی دو عددی هستند که برای به دست آوردن تخمینی از اصطکاک خشک، که بین دو سطح احساس می‌شود، با محاسبه به دست می‌آیند. هر دو نسبت، بین نیروی اصطکاک و نیروی عمودی که بین دو سطح جامد احساس می‌شود محاسبه می‌شوند. ضریب اصطکاک استاتیک (μ) توسط این فرمول داده می‌شود:
   
قدرت اصطکاک بین دو سطح ایستا را می‌توان با محاسبه ضریب اصطکاک استاتیک تخمین زد.
 
ضریب اصطکاک جنبشی توسط معادله زیر داده می‌شود:
   
که در آن μ ضریب اصطکاک جنبشی است. برای دو سطح جامد در تماس با یکدیگر، تنوع ضریب استاتیک عموماً بیشتر از ضریب دینامیک است.
 
اگر کسی بخواهد بر اثرات اصطکاک در فناوری غلبه کند یا آن را به حداقل برساند تا راندمان کلی عملکرد را افزایش دهد، درک اصطکاک خشک و اندازه گیری آن توسط او بسیار مهم است.
 
پس به طور کلی اصطکاک نیرویی است که درمقابل حرکت نسبی سطوح جامد، لایه‌های سیال و عناصر ماده که در برابر یکدیگر کشیده می‌شوند مقاومت می‌کند، و انواع مختلفی از اصطکاک وجود دارد:
 
- اصطکاک خشک نیرویی است که با حرکت جانبی نسبی دو سطح جامد در تماس مخالفت می‌کند. اصطکاک خشک به اصطکاک استاتیک بین سطوح غیر متحرک، و اصطکاک جنبشی بین سطوح متحرک تقسیم می‌شود. به استثنای اصطکاک اتمی یا مولکولی، اصطکاک خشک عموماً از اثر متقابل خصوصیات سطح ناشی می‌شود، که به عنوان سختی شناخته می‌شود.
 
- اصطکاک سیال، اصطکاک بین لایه‌های یک مایع چسبناک را نشان می‌دهد که نسبت به یکدیگر جا به جا می‌شوند.
 
- اصطکاک روغن کاری یک مورد اصطکاک سیال است که در آن یک مایع روان کننده، دو سطح جامد را از هم جدا می کند.
 
- اصطکاک پوستی مؤلفه‌ای از کشیدن است، نیرویی که در برابر حرکت یک سیال در عرض سطح یک جسم مقاومت می‌کند.
 
- اصطکاک داخلی نیرویی است که در برابر حرکت بین عناصر تشکیل دهنده ماده جامد، در حالی که تحت دفرمه شدن است، مقاومت می‌کند.
 
هنگامی که سطوح در تماس نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند، اصطکاک بین دو سطح انرژی جنبشی را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند (یعنی کار را به گرما تبدیل می‌کند). این خاصیت می‌تواند عواقب چشمگیری داشته باشد، همان طور که در استفاده از اصطکاک ایجاد شده توسط مالش تکه‌های چوب به هم برای شروع آتش سوزی نشان داده شده است. پیاده روی به دلیل وجود نیروی اصطکاک موجود بین سطح زیرین کفش یا صندل با جاده‌ها امکان پذیر است. انرژی جنبشی هر زمان که حرکت با اصطکاک رخ دهد، به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود، به عنوان مثال وقتی یک مایع چسبناک هم زده شود. یکی دیگر از پیامدهای مهم بسیاری از انواع اصطکاک می‌تواند سایش باشد که ممکن است منجر به تخریب عملکرد یا آسیب دیدن قطعات شود.
 
اصطکاک در فراهم آوردن گرفتن بدون سر خوردن برای تسهیل حرکت روی زمین مطلوب و مهم است. اکثر وسایل نقلیه زمینی برای شتاب، کاهش سرعت و تغییر جهت، بر اصطکاک متکی هستند. کاهش ناگهانی در قدرت گرفتن بدون سر خوردن می‌تواند باعث از دست دادن کنترل و تصادفات شود.
 
اصطکاک خشک از ترکیبی از چسبندگی بین سطحی، زبری سطح ، تغییر شکل سطح و آلودگی سطح ناشی می‌شود. پیچیدگی این فعل و انفعالات، محاسبه اصطکاک را از اصول اولیه غیر عملی می‌سازد و استفاده از روش‌های تجربی را برای تجزیه و تحلیل و توسعه تئوری ایجاب می‌کند.
 
اصطکاک یک نیروی غیر ذخیره کننده انرژی است - کاری که در مقابله با اصطکاک انجام می‌شود وابسته به مسیر است. در حضور اصطکاک، مقداری از انرژی جنبشی همیشه به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود، بنابراین انرژی مکانیکی حفظ نمی‌شود.
 
نیروی اصطکاک همیشه در جهتی اعمال می شود که مخالفت می‌کند با حرکت عملی (برای اصطکاک جنبشی) یا حرکت بالقوه (برای اصطکاک ایستا) بین دو سطح. به عنوان مثال، یک سنگ غلتان روی یخ نیروی اصطکاک جنبشی‌ای را تجربه می‌کند که حرکت سنگ را آهسته می‌کند و بالاخره سنگ متوقف می‌شود. برای نمونه‌ای از حرکت بالقوه، چرخ‌های یک اتومبیل روی زمین را در نظر بگیرید که در حالی که گاز می‌دهیم هنوز اتوموبیل راه نیفتاده است در حالی که اگر اصطکاک ایستا بین لاستیک چرخ و زمین وجود نمی‌داشت از همان لحظه شروع گاز دادن چرخ‌های محرک در سر جای خود شروع به چرخش می‌کردند (به اصطلاح ماشین بکس باد می‌کرد).
 
منبع: اُمکار فاتاک