اگر دستانتان را در یک روز سرد به هم بمالید، در چند ثانیه گرمایی خوشایند در انگشتانتان میپیچد. اگر توپی را روی زمین هل دهید، پس از مدتی بیآنکه نیرویی از بیرون به آن وارد شود، آرام میایستد و اگر بخواهید جسمی سنگین را روی سطحی صاف جابهجا کنید، میبینید که بدون فشار و انرژی بیشتر حرکت نخواهد کرد. همه این اتفاقها ریشه در نیرویی دارند که هم یاریگر زندگی ماست و هم محدودکننده حرکتها؛ نیرویی به نام اصطکاک. کاربرد اصطکاک در زندگی بسیار مهم است و نقش مهمی در مهار، توقف، یا حتی امکان حرکت بسیاری از اجسام ایفا میکند.
در این مطلب از مجموعه مدارس سلام ابتدا به پرسش «اصطکاک چیست؟» پاسخ خواهیم داد، سپس عوامل مؤثر در آن را بررسی میکنیم، انواع اصطکاک را معرفی میکنیم و در نهایت کاربردها، فرمولها و روشهای کاهش آن را مرور خواهیم کرد تا اطلاعات کاملی از آن به دست آورید.
اصطکاک چیست؟
اصطکاک به نیرویی گفته میشود که میان دو سطح در تماس ایجاد میشود و در خلاف جهت حرکت عمل میکند. به بیان ساده، هر بار که جسمی روی جسم دیگر میلغزد یا تلاش میکند بلغزد، نیروی اصطکاک پدید میآید و باعث کند شدن یا مقاومت در برابر حرکت میشود.
برای مثال وقتی کتابی را روی میز هل میدهید، اصطکاک میان سطح کتاب و میز، مانع حرکت آزاد آن خواهد شد. این نیرو برخلاف نیروهای غیرتماسی مانند گرانش یا الکترومغناطیس است و شدت آن به جنس، زبری یا صافی سطوح و میزان فشاری که بر یکدیگر وارد میکنند، وابسته است.
اولین نفری باشید که از اخبار و اطلاعیههای مرتبط با پایه تحصیلیتان باخبر میشود!
عوامل مؤثر در اصطکاک
همانطور که گفتیم، شدت نیروی اصطکاک همیشه یکسان نیست و به شرایط سطحها و ویژگی اجسام بستگی دارد. برای مثال، حتماً تجربه کردهاید که هل دادن یک خودکار یا توپ راحتتر از هل دادن میز است. پنج عامل اصلی را میتوان در این زمینه نام برد که هر کدام در افزایش یا کاهش اصطکاک نقشی مهم ایفا میکنند:
زبری یا صافی سطح
هیچ سطحی کاملاً صاف نیست و حتی براقترین میز هم در بزرگنمایی میکروسکوپی پر از قلهها و درههای ریز است. وقتی کف کفش روی آسفالت قرار میگیرد، این پستی و بلندیها به هم گیر میکنند و حرکت سختتر میشود. هرچه سطح زبرتر باشد، نیروی اصطکاک بیشتر خواهد بود.
زبری یا صافی لغزنده
زبری فقط به سطح ثابت مربوط نمیشود و جسمی که روی آن حرکت میکند هم اهمیت دارد. یک توپ پلاستیکی نرم روی فرش به سختی میغلتد اما همان توپ روی کاشی به آسانی حرکت میکند. هرچه سطح جسم لغزنده صافتر باشد، اصطکاک کمتر خواهد شد.
نیروی عمودی بین دو جسم
هرچه جسم سنگینتر باشد، فشار بیشتری روی سطح وارد میکند و همین باعث افزایش اصطکاک میشود. به همین دلیل کشیدن یک کیف سنگین روی زمین سختتر از حرکت دادن همان کیف خالی است.
سطح تماس دو جسم
شاید به نظر برسد که هرچه سطح تماس بیشتر باشد، اصطکاک هم بیشتر خواهد شد، اما چنین نیست. وقتی فشار روی سطح بزرگتر پخش میشود، مقدار اصطکاک تغییر چندانی نمیکند. برای نمونه یک کتاب باریک و یک کتاب پهن با وزن برابر روی میز، نیروی اصطکاک تقریباً یکسانی ایجاد میکنند.
طراحی و شکل جسم
به طور کلی شکل جسم تعیین میکند که حرکت چقدر روان انجام شود. یک دوچرخهسوار هنگام مسابقه لباسهای چسبان میپوشد تا مقاومت هوا کاهش پیدا کند یا بدن ماهی با طراحی ساده و کشیدهاش کمک میکند آب به آسانی از اطراف آن عبور کند. هرچه طراحی جسم سادهتر باشد، اصطکاک کمتری ایجاد میشود. مانند تفاوت در هل دادن یک توپ گرد و یک جسم مکعبی شکل!
انواع اصطکاک
اصطکاک انواع مختلفی دارد و شما میتوانید با شناخت این انواع، درک بهتری نسبت به پاسخ «اصطکاک چیست» پیدا کنید. این انواع شامل اصطکاک جنبشی، غلتشی، سیال و ایستایی هستند.
اصطکاک جنبشی
وقتی جسم شروع به حرکت کند، اصطکاکی که تجربه میکند اصطکاک جنبشی نام دارد. برای نمونه وقتی کتابی را روی میز میکشید، کتاب در حال حرکت است و اصطکاکی که جلوی حرکتش را میگیرد، از نوع جنبشی است. این اصطکاک به طور معمول کمتر از اصطکاک ایستایی است. هر چه سطح خشکتر و زبرتر باشد، اصطکاک جنبشی هم افزایش پیدا میکند.
اصطکاک غلتشی
حرکت اجسام روی چرخها نمونهای روشن از اصطکاک غلتشی است. کشیدن یک چمدان سنگین روی زمین سخت است، اما اگر چرخ داشته باشد، به راحتی حرکت میکند. دلیل این تفاوت کاهش چشمگیر اصطکاک در حالت غلتش است. به همین علت است که استفاده از چرخ و غلتک در حملونقل اهمیت زیادی دارد.
اصطکاک ایستایی
وقتی جسمی روی سطحی قرار دارد اما هنوز حرکت نکرده است، نیرویی وجود دارد که مانع شروع حرکت میشود. این، اصطکاک ایستایی است. اگر تا به حال تلاش کرده باشید مبل یا میز سنگینی را هل بدهید، متوجه شدهاید که لحظه اول سختترین بخش است. علتش همین اصطکاک ایستایی است. هر چه سطح خشکتر باشد، این اصطکاک بیشتر خواهد بود.
اصطکاک سیال
وقتی جسمی در مایع یا گاز حرکت کند، با نیروی مقاومی روبهرو میشود که به آن اصطکاک سیال میگوییم. اگر تا به حال در استخر تلاش کرده باشید که حرکت کنید یا شنا کنید، با این نیرو آشنایید! شنا کردن در آب، حرکت قایق یا حتی در برابر باد، همه به دلیل وجود همین اصطکاک هستند. این اصطکاک به سرعت جسم، اندازه آن، ماهیت سیال و حتی طراحی بدنه جسم بستگی دارد. برای همین قایقهای تندرو و هواپیماها طراحی ساده و کشیده دارند تا مقاومت هوا یا آب کمتر شود.
فواید و معایب وجود نیروی اصطکاک
بر اساس انواع و مثال اصطکاک که تا به اینجا بررسی کردیم، مشخص میشود که نیروی اصطکاک همه جا حضور دارد و بدون آن بسیاری از کارهای روزمره یا عملکرد وسایل صنعتی ممکن نبود. به عنوان مثال، وقتی راه میروید، کفش شما روی زمین نمیلغزد و تعادلتان حفظ میشود یا وقتی اتومبیلها ترمز میکنند، همین اصطکاک بین لاستیک و زمین باعث توقف آنها میشود. حتی جابهجایی وسایل خانه یا کارخانهها بدون این نیرو سخت و خطرناک میشد.
اما هر نیرویی دو روی سکه دارد! اصطکاک میتواند موجب فرسایش اجسام شود و برای مثال چرخها، قطعات ماشین یا ابزارها به مرور ساییده میشوند و نیاز به تعمیر پیدا میکنند. در صنایع هم گاهی باید این نیرو را کاهش داد تا ماشینها روانتر کار کنند و انرژی کمتری هدر برود.
پیشنهاد مطالعه: تعریف جرم چیست؟
عملکرد اصطکاک
اصطکاک نیرویی است که هم زندگی روزمره و هم پیشرفت صنعت را شکل میدهد. وقتی پا روی زمین میگذارید و بدون سر خوردن حرکت میکنید، وقتی چرخ ماشین روی آسفالت میچرخد یا حتی وقتی یک مداد ساده روی کاغذ خط میکشد، همه اینها نتیجه عملکرد اصطکاک است.
اصطکاک مانع لغزش بیپایان اجسام میشود و تعادل را حفظ میکند. در عین حال، همین نیرو باعث ساییدگی و کاهش عمر وسایل هم میشود. بنابراین میتوان گفت عملکرد اصطکاک چیزی شبیه یک تعادل دائمی میان کمک به حرکت و ایجاد مقاومت است. تصور کنید اصطکاک وجود نداشت! همه ما و همه وسایل در حال حرکتی بیپایان بودیم و هیچکاری نمیتوانستیم انجام دهیم.
کاربرد اصطکاک در زندگی
حالا که به خوبی با پاسخ اصطکاک آشنا شدیم و انواع آن را شناختیم، وقت آن رسیده که تعدادی از مثالهای کاربرد اصطکاک در زندگی را هم بدانیم:
- راه رفتن و دویدن: اصطکاک بین کفش و زمین باعث میشود سر نخوریم و راحت حرکت کنیم.
- نوشتن روی کاغذ یا تخته: مداد یا خودکار به خاطر اصطکاک روی سطح اثر میگذارد و نوشته شکل میگیرد.
- کوبیدن میخ در دیوار: اصطکاک بین میخ و دیوار مانع بیرون آمدن آن میشود.
- ترمز کردن خودرو: اصطکاک بین لنت ترمز و دیسک چرخها سرعت ماشین را کم میکند.
- خرید کردن: وقتی با سبد چرخدار خرید در فروشگاه حرکت میکنیم، نیروی اصطکاک جنبشی و غلتشی به ما کمک میکند.
- نردبان کنار دیوار: اصطکاک از لیز خوردن نردبان جلوگیری میکند.
- روشن کردن آتش: کشیدن کبریت روی جعبه به دلیل اصطکاک آتش تولید میکند.
- مسواک زدن: اصطکاک برس مسواک باعث جدا شدن ذرات غذا از دندانها میشود.
- اتو کردن لباس: اصطکاک بین اتو و لباس به صاف شدن چروکها کمک میکند.
- بازی کردن: توپ فوتبال یا بسکتبال به خاطر اصطکاک روی زمین میغلتد و متوقف میشود.
- اثاثکشی: وقتی اثاث و وسایل را برای نقل مکان یا چیدمان دکوراسیون روی زمین حرکت میدهیم، مانند کمدی بزرگ، نیروی اصطکاک بر این حرکت تأثیر میگذارد.
- گرفتن وسایل با دست: اصطکاک بین انگشتان و سطح وسیله باعث میشود چیزها از دست لیز نخورند.
پیشنهاد مطالعه: تعریف تبخیر
فرمول اصطکاک
برای اینکه بتوانیم مقدار نیروی اصطکاک را محاسبه کنیم، از یک فرمول ساده استفاده میشود:
F = μ × N
در این رابطه:
- F همان نیروی اصطکاک است.
- μ ضریب اصطکاک سطح است.
- N نیروی عمودی یا همان فشاری است که جسم به سطح وارد میکند.
به این ترتیب هر چه فشار بیشتری روی جسم باشد یا سطح زبرتر باشد، مقدار اصطکاک هم بیشتر خواهد بود. برای نمونه وقتی روی زمین صاف و تمیز یک لیوان شیشهای را هل میدهید، خیلی راحت حرکت میکند، اما اگر همین کار را روی فرش یا زمین زبر انجام دهید، حرکت آن سختتر خواهد بود.
ضریب اصطکاک
ضریب اصطکاک عددی بدون واحد است که میزان لغزندگی یا زبری دو سطح را نشان میدهد. این ضریب ثابت برای هر نوع ماده متفاوت است و با حرف یونانی μ نشان داده میشود. دو نوع ضریب اصطکاک اصلی وجود دارد:
- ضریب اصطکاک ایستایی (μs): وقتی جسم هنوز شروع به حرکت نکرده و اصطکاک در برابر آغاز حرکت مقاومت میکند.
f=μsN
- ضریب اصطکاک جنبشی (μk): وقتی جسم در حال حرکت است و اصطکاک در برابر ادامه حرکت مقاومت نشان میدهد.
f=μkN
روش کاهش اصطکاک
برای کاهش اصطکاک و آسانتر کردن حرکت، سه روش ساده وجود دارد که حتی روزانه هم از آنها استفاده میکنیم:
- صاف و صیقلی کردن سطحها: هرچه سطوح صافتر باشند، اصطکاک کمتر میشود.
- روغنکاری یا استفاده از روانکنندهها: لایهای از روغن یا گریس باعث میشود اجسام راحتتر روی هم سر بخورند.
- استفاده از چرخ و غلتک: با به کار بردن چرخها، درست مانند افزودن چرخ زیر ساکهای مسافرتی ساده و تولید چمدان، حرکت سادهتر میشود و اصطکاک کاهش پیدا میکند.
سخن پایانی
در نهایت، اصطکاک یکی از نیروهای مهم و همیشگی در زندگی ما محسوب میشود. این نیرو گاهی کمک میکند راه برویم و وسایل را نگه داریم و گاهی باعث فرسایش میشود. شناخت انواع اصطکاک و روشهای کاهش آن باعث میشود بهتر بتوانیم این نیرو را کنترل کنیم و از فوایدش بیشترین بهره را ببریم.
سوالات متداول
- اصطکاک یعنی چه؟
اصطکاک نیرویی است که بین سطح دو جسم در تماس به وجود میآید و جلوی حرکت را میگیرد. - نیروی اصطکاک چیست علوم نهم؟
وقتی دو جسم به یکدیگر مالیده میشوند، مانند کفش و زمین، اصطکاک ایجاد میشود. - نیروی اصطکاک چیست با مثال؟
وقتی توپ روی زمین قل میخورد و کمکم متوقف میشود، عامل آن نیروی اصطکاک است. - اصطکاک یا اصطحکاک؟
نوشتار درست اصطکاک است و اصطحکاک غلط محسوب میشود.
