▷ قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك)

تشرح هذه المقالة ما هي قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك) في الفيزياء وكيفية حسابها. لذلك ستجد خصائص قوة الاحتكاك، ونوعي قوة الاحتكاك الموجودين، بالإضافة إلى تمارين محددة للتدرب عليها.

ما هي قوة الاحتكاك؟

قوة الاحتكاك ، وتسمى أيضًا قوة الاحتكاك ، هي قوة اتصال تحدث عند محاولة تحريك جسم عبر سطح جسم آخر.

بتعبير أدق، قوة الاحتكاك هي القوة المؤثرة في اتجاه موازٍ ومعاكس للحركة.

هناك نوعان من قوى الاحتكاك: قوة الاحتكاك الساكن وقوة الاحتكاك الديناميكي. اعتمادا على الحالة، واحد أو آخر من الأفعال. وفيما يلي سنرى الفرق بينهما.

بشكل عام، يتم تمثيل قوة الاحتكاك بالرمز F _R.

خصائص قوة الاحتكاك

والآن بعد أن عرفنا تعريف قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك)، دعونا نرى ما هي خصائص هذا النوع من القوة:

قوة الاحتكاك هي قوة تماس، أي أنها لا تؤثر إلا في حالة تلامس سطحين.
علاوة على ذلك، فإن قوة الاحتكاك تظهر فقط عندما يتحرك جسم أو يحاول التحرك فوق جسم آخر.
يكون اتجاه قوة الاحتكاك موازيا لاتجاه الحركة.
اتجاه قوة الاحتكاك معاكس للحركة.
قوة الاحتكاك لا تعتمد على سرعة انزلاق الأجسام.
لا تعتمد قوة الاحتكاك على حجم السطح الملامس.
لكن قوة الاحتكاك تعتمد على المواد المتلامسة وشكلها النهائي ودرجة الحرارة.
قوة الاحتكاك تتناسب طرديا مع القوة العمودية.

صيغة قوة الاحتكاك

قوة الاحتكاك تساوي معامل الاحتكاك مضروبًا في القوة العمودية. لذلك، لحساب قوة الاحتكاك، يجب أولاً إيجاد القوة العمودية ثم ضربها في معامل الاحتكاك بين سطحي التلامس.

وبالتالي فإن صيغة قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك) هي كما يلي:

$F_R=\mu\cdot N$

ذهب:

$F_R$

هي قوة الاحتكاك أو الاحتكاك، معبرا عنها بالنيوتن.
$\mu$

هو معامل الاحتكاك الذي ليس له وحدة.
$N$

هي القوة العمودية، ويعبر عنها بالنيوتن.

قوة الاحتكاك الساكنة والديناميكية

تعتمد قيمة قوة الاحتكاك على ما إذا كان الجسم في حالة سكون أو في حالة حركة. على سبيل المثال، من المؤكد أنك حاولت سحب جسم ثقيل للغاية وكان من الصعب تحريكه في البداية، ولكن بمجرد أن تمكنت من تحريك الجسم قليلاً، يصبح من الأسهل الاستمرار في سحب الجسم.

وفي الواقع، بشكل عام، تكون قوة الاحتكاك عندما يكون الجسم ساكنًا أكبر منها عندما يكون متحركًا.

وهكذا نميز بين نوعين من قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك):

قوة الاحتكاك الساكن : هي قوة الاحتكاك التي تعمل عندما لا يكون الجسم في حالة حركة بعد.
قوة الاحتكاك الديناميكية (أو الحركية) : هذه هي قوة الاحتكاك التي تعمل عندما يكون الجسم قد بدأ الحركة بالفعل.

وبالمثل، يتميز معامل الاحتكاك الساكن أيضًا عن معامل الاحتكاك الديناميكي، الذي يستخدم لتحديد قوة الاحتكاك الساكن وقوة الاحتكاك الديناميكي، على التوالي.

وأخيرًا، تختلف قيمة قوة الاحتكاك كما هو موضح في الرسم البياني التالي:

قوة الاحتكاك الساكن تساوي القوة المطبقة لمحاولة تحريك الجسم ولكن اتجاهها معاكس. وقيمتها القصوى هي حاصل ضرب معامل الاحتكاك السكوني والقوة العمودية. عندما تتجاوز القوة المطبقة هذه القيمة، يبدأ الجسم في التحرك.

وهكذا، عندما يكون الجسم متحركًا بالفعل، فإن قوة الاحتكاك الديناميكي لها قيمة ثابتة تعادل حاصل الضرب بين معامل الاحتكاك الديناميكي والقوة العمودية، مهما كانت قيمة القوة المطبقة. بالإضافة إلى ذلك، هذه القيمة أقل قليلاً من القيمة القصوى لقوة الاحتكاك الساكن.

حل تمارين على قوة الاحتكاك

التمرين 1

الغرض منه هو تحريك كتلة كتلتها m=12 كجم على سطح مستو، وتبدأ في التحرك بمجرد تأثير قوة مقدارها 35 N. ما معامل الاحتكاك السكوني بين الأرض والجسم؟ البيانات: ز=10 م/ث ² .

انظر الحل

أولًا، نرسم بيانيًا جميع القوى المؤثرة على الكتلة:

حل تمرين على معامل الاحتكاك السكوني أو معامل الاحتكاك السكوني

في حالة حد التوازن، يتم تحقيق المعادلتين التاليتين:

$N=P$

$F_R=F$

وبالتالي فإن قوة الاحتكاك ستكون معادلة للقوة الأفقية المطبقة على الجسم:

$F_R=F=35 \ N$

ومن ناحية أخرى، يمكننا حساب قيمة القوة العمودية باستخدام صيغة قوة الوزن:

$\begin{array}{l}N=P\\[3ex] N=m\cdot g\\[3ex] N=12\cdot 10 \\[3ex] N=120 \ N\end{array }$

وأخيرًا، بمجرد معرفة قيمة قوة الاحتكاك والقوة العمودية، نطبق صيغة معامل الاحتكاك السكوني لتحديد قيمته:

$\mu_e=\cfrac{F_R}{N}=\cfrac{35}{120}=0.29$

تمرين 2

نضع جسمًا كتلته m=6 كجم على قمة مستوى يميل بزاوية 45 درجة. إذا انزلق الجسم على المستوى المائل بعجلة مقدارها 4 م/ث ² ، فما معامل الاحتكاك الديناميكي بين سطح المستوى المائل وسطح الجسم؟ البيانات: ز=10 م/ث ² .

مشكلة معامل الاحتكاك أو الاحتكاك الديناميكي

انظر الحل

أول شيء يتعين علينا القيام به لحل أي مشكلة فيزيائية تتعلق بالديناميكيات هو رسم مخطط الجسم الحر. إذن جميع القوى المؤثرة في النظام هي:

حل تمرين معامل الاحتكاك أو الاحتكاك الديناميكي

في اتجاه المحور 1 (موازي للمستوى المائل) يكون للجسم تسارع، ولكن في اتجاه المحور 2 (عمودي على المستوى المائل) يكون الجسم في حالة سكون. ومن هذه المعلومات نقترح معادلات قوى النظام:

$P_1-F_R=m\cdot a$

$P_2-N=0$

لذا يمكننا حساب القوة العمودية من المعادلة الثانية:

$\begin{array}{l}N=P_2\\[3ex]N=m\cdot g\cdot \text{cos}(\alpha) \\[3ex] N=6 \cdot 10 \cdot \ text{cos}(45º)\\[3ex]N=42,43 \ N\end{array}$

ومن ناحية أخرى نحسب قيمة قوة الاحتكاك (أو قوة الاحتكاك) من المعادلة الأولى المقدمة:

$\begin{array}{l}P_1-F_R=m\cdot a\\[3ex]F_R=P_1-m\cdot a\\[3ex]F_R=m\cdot g\cdot \text{sin} (\alpha)-m\cdot a\\[3ex]F_R=6\cdot 10\cdot \text{sin}(45º)-6\cdot 4\\[3ex]F_R=18.43 \ N\end{ array}$

وبمجرد أن نعرف قيمة القوة العمودية وقوة الاحتكاك، يمكننا تحديد معامل الاحتكاك الديناميكي باستخدام الصيغة المقابلة له:

$\mu_d=\cfrac{F_R}{N}=\cfrac{18.43}{43.43}=\bm{0.42}$

التمرين 3

تنزلق زلاجة كتلتها 70 كجم على منحدر بزاوية 30 درجة بسرعة ابتدائية قدرها 2 م/ث. إذا كان معامل الاحتكاك الديناميكي بين المزلجة والثلج يساوي 0.2، فاحسب السرعة التي ستكتسبها المزلجة بعد قطع مسافة 20 مترًا. البيانات: ز=10 م/ث ² .

انظر الحل

أولًا، نقوم بعمل مخطط الجسم الحر للمزلجة:

تتمتع المزلجة بتسارع في اتجاه المحور 1 (موازٍ للمستوى المائل) ولكنها تظل ساكنة في اتجاه المحور 2 (عموديًا على المستوى المائل)، وبالتالي فإن معادلات القوة هي:

$P_1-F_R=m\cdot a$

$P_2-N=0$

ومن المعادلة الثانية يمكننا حساب القوة العمودية المؤثرة على المزلجة

$\begin{array}{l}N=P_2\\[3ex]N=m\cdot g\cdot \text{cos}(\alpha) \\[3ex] N=70 \cdot 10 \cdot \ text{cos}(30º)\\[3ex]N=606,22 \ N\end{array}$

وبما أننا نعرف الآن قيمة القوة العمودية ومعامل الاحتكاك الديناميكي، فيمكننا حساب قوة الاحتكاك بتطبيق الصيغة المقابلة لها:

$F_R=\mu\cdot N=0,2 \cdot 606,22=121,24 \ N$

لذا، لتحديد السرعة النهائية، يجب علينا أولاً إيجاد تسارع المزلجة، ويمكن حساب ذلك من معادلة القوة الأولى المقدمة:

$P_1-F_R=m\cdot a$

$a=\cfrac{P_1-F_R}{m}$

$a=\cfrac{m\cdot g\cdot \text{sin}(\alpha)-F_R}{m}$

$a=\cfrac{70\cdot 10\cdot \text{sin}(30º)-121.24}{70}$

$a=3,27 \ \cfrac{m}{s^2}$

بمجرد معرفة تسارع المزلجة، نحسب الزمن الذي تستغرقه لقطع مسافة 20 مترًا بمعادلة الحركة المستقيمة بتسارع ثابت:

$x=v_0\cdot t +\cfrac{1}{2}\cdot a \cdot t^2$

$20=2\cdot t +\cfrac{1}{2}\cdot 3.27 \cdot t^2$

$0=1,64t^2+2t-20$

$\displaystyle t=\cfrac{-2\pm \sqrt{2^2-4\cdot 1.64\cdot (-20)}}{2\cdot 1.64}=\cfrac{-2\ pm 11.63}{ 3.28}=\begin{cases}2.94\\[2ex]-4.15 \ \color{red}\bm{\times}\end{cases}$

منطقيا، نستبعد الحل السالب لأن الزمن كمية فيزيائية لا يمكن أن تكون سالبة.

وأخيرًا، نحسب السرعة النهائية باستخدام صيغة التسارع الثابت:

$a=\cfrac{v_f-v_0}{t_f-t_0}\quad \longrightarrow \quad v_f=a\cdot (t_f-t_0)+v_0$

$v_f=3,27\cdot (2,94-0)+2=11,61 \ \cfrac{m}{s}$

ما هي قوة الاحتكاك؟

خصائص قوة الاحتكاك

صيغة قوة الاحتكاك

قوة الاحتكاك الساكنة والديناميكية

حل تمارين على قوة الاحتكاك

التمرين 1

تمرين 2

التمرين 3

اترك تعليقا إلغاء الرد