دسته‌ها
دینامیک دینامیک دینامیک و حرکت دایره ای فیزیک پیش دانشگاهی فیزیک دوازدهم فیزیک دوم دبیرستان

نیروی اصطکاک

گایلام آمونتون در سال ۱۶۹۹ اصطکاک را توصیف کرد و شارل آگوستین اطلاعات موجود تا زمان خودش را جمع آوری کرد و آنها را در سال ۱۷۷۹ در رساله‌ای منتشر کرد. اصطکاک پدیده‌ای است که در مرز بین جامدات ، مایعات و گازها ، همچنین در داخل آنها ، دیده می‌شود. در تحلیل اصطکاک در شاره ها(مایعات و گازها) ، به خاصیت چسبندگی آنها توجه می‌شود. کارکرد نیروی اصطکاک همیشه بگونه‌ای است که از لغزیدن سطوح مجاور نسبت به یکدیگر جلوگیری می‌کند. نیروی اصطکاک با سطوحی که نسبت به هم می‌لغزند، موازی است. جهت نیروی اصطکاک ممکن است در جهت حرکت یا در خلاف جهت حرکت باشد.
برخی از عواملی از عوامل موثر بر نیروی اصطکاک عبارتند از نیروی عمودی سطح ، جنس سطوح تماس ، عوامل محیطی فیزیکی مانند دما و رطوبت و زبری و نرمی سطوح تماس.

نیروی اصطکاک

سعی کنید جسم سنگینی مثل یک مبل را در خانه جابجا کنبد. در ابتدا نیروی کمی وارد کنید. آیا مبل حرکت می کند؟ نه . باز هم به نیرو وارد کردن ادامه دهید. چه می شود؟ بالاخره حرکت میکند. چرا در ابتدا که نیرو وارد کردید، مبل شروع به حرکت نکرد؟ مگر طبق قانون دوم نیوتون جسم نباید شتابی متناسب با نیروی وارد شده، پیدا می کرد؟ از این که مبل حرکت نکرد، متوجه می شویم که مجموع نیروی وارد شده به مبل صفر بوده است. یعنی نیروی دیگری در مخالفت با نیرویی که ما وارد کردیم، به جسم وارد شده. به این نیرو، نیروی اصطکاک می گویند. و چون این نیرو در حالتی به مبل وارد شده بود که مبل ساکن بود و حرکت نمیکرد به آن نیروی اصطکاک ایستایی می گویند.

ph3 s2 Friction force 01 نیروی اصطکاک

در تجربه های روزانه دیده اید که برای به حرکت درآوردن صندوق سنگینی که روی سطح افقی است باید نیروی بزرگی را به آن وارد کنید و اگر نیروی کوچکی به آن وارد کنید صندوق ساکن می ماند . بنابراین باید نیرویی در خلاف جهت نیرویی که به صندوق وارد کرده اید ، به آن وارد شده باشد . این نیرو را نیروی اصطکاک ایستایی می نامیم .

جسمی را در نظر بگیرید که آن را با کشیدن یا هل دادن روی سطح افقی به حرکت در آورده اید .اگر دست از کشیدن یا هل دادن جسم بردارید سرعت آن کاهش می یابد و پس از مدتی می ایستد . با توجه به اینکه نیرو عامل تغییر سرعت است ، باید نیرویی در خلاف جهت حرکت به جسم وارد شده باشد . این نیرو را نیروی اصطکاک جنبشی می نامیم .

اما وقتی که مبل شروع به حرکت کرد، باز هم نیروی مقاومتی به آن وارد میشود. در غیر این صورت وقتی مبل شروع به حرکت کرد، طبق قانون دوم نیوتون می بایست بدون وارد کردن نیرو از طرف ما به حرکت خود ادامه می داد. ولی اینطور نیست. به نیروی مقاومتی که به جسم در حال حرکت وارد می شود،نیروی اصطکاک جنبشی می گویند.

اگر امتحان کرده باشید متوجه می شوید که نیرویی که برای شروع حرکت به مبل وارد می کنید بیشتر از نیرویی است که در حال حرکت باید به مبل وارد کنید تا به حرکت ادامه دهد. معنای این حرف این است که نیروی اصطکاک جنبشی از نیروی اصطکاک ایستایی کمتر است.

عوامل موثر بر نیروی اصطکاک

به جنس دو سطح ، زبری و نرمی و ناهمواری های سطوح و… بستگی دارد. مثلا مبل را روی سطح سرامیک یا یخ راحت تر هل می دهیم تا روی موکت یا فرش. یا با کفش های با کف صاف بیشتر روی یخ سر می خوریم تا کفش های دارای ناهمواری.

ph3 s2 Friction force 02 نیروی اصطکاک

نیروی اصطکاک مفید است یا مضر؟

به دنیای بدون نیروی اصطکاک فکر کنید. هر بار که به جسمی نیرو وارد میشد به طور دائم حرکت می کرد. یا ما برای راه رفتن به زمین به عقب نیرو وارد می کردیم و زمین به ما به سمت جلو نیرو وارد می کرد و مدام سر می خوردیم. یا نمیتوانستیم هیچ چیزی را در دست خود نگه داریم و…. در عوض اگر دستگاهی داشتیم که می توانست بدون اصطکاک کار کند، با یک بار نیرو وارد کردن به آن، همیشه به کار خود ادامه میداد و ما نگرانی تامین انرژی نداشتیم.

نیروی اصطکاک ایستایی

فرض کنید به جسمی به جرم m روی سطح افقی نیروی F وارد می شود ولی جسم ساکن می ماند .

ph2 s3 estekak 01 نیروی اصطکاک

علت اینکه جسم ساکن می ماند اینست که نیرویی در خلاف جهت نیروی اعمال شده با آن و برابر با آن به آن وارد میشود که آن را با fs نشان داده ایم .

ph2 s3 estekak 02 نیروی اصطکاک

با افزایش نیروی F ، نیروی اصطکاک ایستایی نیز افزایش می یابد . تا زمانی که جسم در آستانه حرکت قرار گیرد . که در این لحظه بیشترین نیروی اصطکاک ایستایی را خواهیم داشت .

ph2 s3 estekak 03 نیروی اصطکاک

نیروی اصطکاک ایستایی بیشینه از رابطه زیر بدست می آید :

ph2 s3 estekak 04 نیروی اصطکاک

که در این رابطه N نیروی عمودی سطح وارد بر جسم است .

می توان برای نیروی اصطکاک ایستایی رابطه زیر را نوشت :

ph2 s3 estekak 05 نیروی اصطکاک

نیروی اصطکاک جنبشی

پس از اینکه جسم در آستانه حرکت قرار گرفت ، با ضربه کوچکی جسم شروع به حرکت می کند و از این لحظه به بعد نیروی اصطکاک جنبشی بر جسم وارد می شود که این نیرو از رابطه زیر بدست می آید :

ph2 s3 estekak 06 نیروی اصطکاک

ph2 s3 estekak 07 نیروی اصطکاک

نیروی اصطکاک جنبشی کوچکتر از نیروی اصطکاک ایستایی است بنابراین می توان رابطه زیر نوشت :

ph2 s3 estekak 08 نیروی اصطکاک

نمودار نیروی اصطکاک بر حسب نیروی وارد بر جسم به صورت شکل زیر است.

ph2 s3 estekak 09 نیروی اصطکاک

آزمایشی که نشان می دهد نیروی اصطکاک ایستایی بیشینه از نیروی اصطکاک جنبشی بیشتر است را در ویدیو زیر ببینید.

مثال ها

مثال۱:

اگر در شکل ،جرم جسم ۴Kg  و بزرگی نیروها F1=4N ، F2=8N و F3=16N  باشد،

ph3 s2 Friction force 03 نیروی اصطکاک

الف) بزرگی نیروهای اصطکاک ایستایی در هر حالت چقدر است؟

ph3 s2 Friction force 04 نیروی اصطکاک

تا قبل از شروع حرکت، طبق رابطه فوق،اندازه اصطکاک ایستایی با نیروی وارد شده برابر است بنابر این به مقدار نیروی اصطکاک به صورت زیر است.

ph3 s2 Friction force 05 نیروی اصطکاک

ب) ضریب اصطکاک ایستایی را پیدا کنید.

ضریب اصطکاک ایستایی از رابطه زیر به دست می آید.

ph3 s2 Friction force 06 نیروی اصطکاک

که در آن FN نیروی عمود بر سطح است. مطابق شکل روبرو مجموع نیروها در  راستای عمودی را می نویسیم.

ph3 s2 Friction force 07 نیروی اصطکاک

بنابر رابطه بالا داریم.

ph3 s2 Friction force 08 نیروی اصطکاک

مثال۲:

شخصی مطابق شکل در حال کشیدن یک جعبه ۷۵/۰کیلوگرمی با نیروی ۳۰۹Nروی سطح افقی است. نیرویی که شخص به جعبه وارد میکند افقی و جعبه در حال حرکت است. اگر ضریب اصطکاک جنبشی بین سطح و جعبه ۰/۴۰۰باشد،

ph3 s2 Friction force 09 نیروی اصطکاک
الف) نیروی اصطکاک جنبشی وارد به جعبه چقدر است؟g=9.8 N/Kg
ب) شتاب جعبه در این حالت چقدر است؟

ph3 s2 Friction force 10 نیروی اصطکاک

مثال ۳:

قطعه چوبی را به صورت افقی روی سطحی افقی پرتاب می کنیم. ضریب اصطکاک جنبشی بین چوب و سطح ۰٫۲ است. شتاب حرکت چوب را به دست آورید. (g=10)

ph3 s2 Friction force 11 نیروی اصطکاک

مثال ۴:

آزمایشی طراحی کنید که با آن بتوانید ضریب اصطکاک ایستایی بین یک مکعب چوبی با وجوه مشابه و میز افقی را اندازه بگیرید.

پاسخ :مکعب چوبی را روی میز قرار می دهیم و نیرو سنج را به مکعب چوبی وصل می کنیم و سر دیگر نیروسنج را با دست به صورت افقی می کشیم. نیروی دست را افزایش می دهیم تا مکعب در آستانه حرکت قرار گیرد. عددی که در این حالت نیرو سنج نشان می دهد، fsmax است.جرم مکعب را هم اندازه می گیریم و طبق قانون دوم نیوتون می نویسیم.

ph3 s2 Friction force 12 نیروی اصطکاک

مثال ۵:

جسمی به جرم ۲kg با تندی ثابت روی سطح افقی با نیروی ۱۰ نیوتن کشیده می شود.ضریب اصطکاک جنبشی بین جسم و سطح را حساب کنید.

پاسخ: وقتی جسم با سرعت ثابت حرکت می کند یعنی شتاب آن صفر است. نمودار نیروهای وارد بر جسم را رسم می کنیم.

ph3 s2 Friction force 13 نیروی اصطکاک

مثال۶:

در شکل زیر شتاب حرکت جسم را به دست آورید.

ph3 s2 Friction force 14 نیروی اصطکاک

حل مسئله

ph3 s2 Friction force 15 نیروی اصطکاک

ویدیو آموزشی

ویدیو آموزشی زیر در مورد نیروی اصطکاک که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است را حتما ببینید.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات


تمرین ها

تمرین ۱:  مطابق شکل زیر، شخصی با نیروی افقی ۵۵۰ نیوتون جعبه ای به جرم ۱۰۰ کیلوگرم را از حال سکون به حرکت در می آورد و پس از ۴ ثانیه طناب پاره می شود. مسافتی که جعبه از شروع حرکت تا توقف طی می کند، چند متر است؟ (g=10)

ph3 s2 Friction force 20 نیروی اصطکاک

تمرین ۲: مطابق شکل زیر، به جسمی به جرم ۱۰ کیلوگرم نیروی F=60i+20j بر حسب نیوتون اعمال می شود و جسم با سرعت ثابت روی سطح افقی در حال حرکت است. نیرویی که سطح به جسم وارد می کند، چه زاویه ای بر حسب درجه با راستای حرکت جسم می سازد؟ (g=10 , sin37=cos53=0.6)

ph3 s2 Friction force 21 نیروی اصطکاک

تمرین ۳: مطابق شکل، وزنه ای توسط نیروی F از حال سکون به حرکت در می آید و پس از مدتی، نیروی F قطع می شود و وزنه با طی مسافتی متوقف می شود. اگر بزرگی شتاب وزنه از شروع حرکت تا توقف یکسان باشد، ضریب اصطکاک جنبشی میان وزنه و سطح افقی چند است؟

ph3 s2 Friction force 22 نیروی اصطکاک

تمرین ۴: مطابق شکل، یک میله فلزی به جرم ۱۰ کیلوگرم، به دیوار و کف اتاق تکیه دارد و اصطکاک میله با دیوار ناچیز است. اگر اندازه نیرویی که دیوار به میله وارد می کند، ۵۰ نیوتون و میله ساکن باشد، اندازه نیرویی که کف اتاق بر میله وارد می کند، چند نیوتون است؟

ph3 s2 Friction force 23 نیروی اصطکاک

تمرین ۵: مطابق شکل، حداقل ضریب اصطکاک بین وزنه بزرگ و سطح دیوار، چقدر باشد تا وزنه ها ساکن بمانند؟

ph3 s2 Friction force 24 نیروی اصطکاک

دانلود پاسخ تمرین های اصطکاک



از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

5 دیدگاه دربارهٔ «نیروی اصطکاک»

سلام. ممنون از مطالب خوبتون. میخواستم خواهش کنم جدول ضریب اصطکاک مواد رو بذارید. الان دقیقا نمیدونم ضریب اصطکاک لاستیک روی چدن (با صافی سطح میانگین ۰٫۸ میکرو متر برای هر دو قطعه) چقدره.

با سلام خسته نباشید
رابطه ایی بین ضریب اصطکاک ایستایی و جنبسی هست؟
مثلا اگر ما ضریب ایستایی را داشته باشیم میشود ضریب جنبشی را به کمک رابطه ایی بدست آورد؟

سلام مهندس در شروع حرکت جسم مگر علاوه بر نیروی اصطکاک ایستایی نیروی لختی ناشی از جرم وارد نمی شود .چگونه می توان بین اینها تمایز قائل شد و توی آزمایشی که دیدیم ثابت کرد اصطکاک ایستایی از جنبشی بیشتر است ؟ نکته دیگه اینکه ما ضریب اصطکا ک رو از تقسیم نیروی سطح بر نیروی اصطکاک بدست می آریم یعنی هردو رو به طور تجربی محاسبه می کنیم بنابر این ضریب اصطکاک سطوح مختلف از هر جسمی فرق داره .اگه قرار باشه ما ضریب اصطکاک رو از روی خود نیروی اصطکاک اندازه بگیریم پس کاربرد فرمول چیه ؟

لختی نیرو نیست.
ضریب اصطکاک هر سطح را با انجام آزمایش روی سطح بدست می آورند.

پاسخ

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *