חיכוך

חיכוך סטטי

כאשר גוף מונח על גבי משטח קיים שטח מגע בינו לבין המשטח. פני הגוף ופני המשטח לעולם אינם חלקים לגמרי, פניהם מכוסים בתפזורת של שקערוריות ובליטות. כלומר, קיים חספוס מסוים על פני כל אחד מהם. החספוס יכול להיות גס מאוד או עדין ומיקרוסקופי. בגלל החספוס נוצר חיכוך בין פני הגוף המשוננים ובין פני המשטח המשוננים. החיכוך פועל ככוח המתנגד לכיוון תנועת הגוף.

ככל ששטח המגע של הגוף (ואו של המשטח) הוא מחוספס יותר כך החיכוך יגדל ועמו כוח החיכוך המתנגד לתנועה. מנגד, ככל ששטח המגע יהיה חלק יותר כך החיכוך יקטן. לכן, אחת השיטות להקטנת החיכוך היא החלקת פני השטח המחוספסים ככל הניתן. שיטה נוספת להקטנת החיכוך היא הרטבת אזור המגע במים או סיכוכו בנוזל שמנוני.

הקטנת שטח המגע של הגוף אינה מקטינה את כוח החיכוך הפועל עליו!

להוכחת הטענה שלעיל נערך הניסוי הבא:

גוף מלבני מונח על צידו הרחב על משטח מאוזן וקשור למשקולת בעזרת חוט הכרוך סביב גלגלת. המשקולת מושך את הגוף המלבני, אך כוח החיכוך פועל בכיוון הנגדי ומונע את תנועתה.

כוח החיכוך הפועל על גוף מלבני

נגדיל את משקל המשקולת עד למשקל G בו יגבר כוח משקלה על כוח החיכוך והגוף יתחיל לנוע.

כעת נסובב את הגוף המלבני על צידו הצר יותר. שטח המגע בין הגוף למשטח הוא כעת קטן יותר. נחזור על חיבור משקולות ממשקל נמוך למשקל גבוה יותר, עד שכוח משקל המשקולת יגבר על כוח החיכוך. נגלה שגם במקרה זה משקל המשקולת בו יתחיל הגוף לנוע הוא אותו משקל G שנמצא קודם.

מסקנה - הקטנת שטח המגע של הגוף אינה מקטינה את כוח החיכוך הפועל עליו!

חיכוך גלגול

אך אם במקום שטח מגע יהיה קיים רק קו מגע או רק נקודת מגע הרי שמידת כוח החיכוך תקטן באופן משמעותי. עבור גוף גלילי, שלו קיים רק קו מגע עם המשטח, הרי שכוח החיכוך כן יקטן ואפילו באופן משמעותי. עבור גוף כדורי, שלו קיימת רק נקודת מגע עם המשטח, הרי שכוח החיכוך יקטן אף יותר.

לכן, אחת הדרכים להקטנת כוח החיכוך היא שימוש בצורה גלילית או כדורית.

תלות החיכוך הסטטי במסה

נחזור לגוף בעל שטח מגע עם המשטח עליו הוא מחליק.

כוח החיכוך נמצא ביחס ישר למסת הגוף.

להוכחת הטענה שלעיל נחזור למערכת הניסוי הקודמת:

כוח החיכוך הפועל על גוף מלבני

נכפיל את מסת הגוף הנגרר על-ידי הצבת גוף שני נוסף זהה על הגוף הראשון. כוח המשקולת הנדרש כעת להניע את שני הגופים הוא כפול מהכוח הקודם.

מסקנה: כוח החיכוך, אשר נסמנו ב- F_∩, נמצא ביחס ישר למסת הגוף הנגרר. נוכל לנסח זאת בעזרת הנוסחה הבאה,

F_∩ α m g

מקדם החיכוך הסטטי

כוח החיכוך נמצא ביחס ישר למשקל הגוף. נסמן את היחס בין השניים בעזרת האות μ. נקבל את המשוואה הבאה,


F_∩ = μ m g

היחס μ נקרא מקדם החיכוך. בין כל גוף ומשטח החלקה קיים מקדם חיכוך התלוי בסוג החומרים, במידת חספוסם, בחומר סיכוך ביניהם אם קיים וכדומה.

את ערכו של מקדם החיכוך ניתן למצוא בעזרת הניסוי המוצא את הכוח F_∩ הנדרש לתחילת התנועה של הגוף. נציב את F_∩ במשוואה שלעיל ונקבל את מקדם החיכוך עבור גוף שמסתו m,


μ = F_∩ / m g

זווית החיכוך הסטטי

ניסוי פשוט יותר למציאת מקדם החיכוך הוא ניסוי הכולל את המערכת הבאה,

כוח החיכוך הפועל על גוף בשיפוע

נטה את המישור עליו נמצא הגוף עד שהגוף יתחיל לנוע ויחליק מטה. הגוף יתחיל להחליק מטה כאשר רכיב הכוח המושך אותו מטה לאורך השיפוע משתווה (ומעט גדול יותר) מרכיב כוח החיכוך המתנגד לתנועתו. מתוך הגדרה זו נקבל את המשוואה הבאה,


m g sinα = μ m g cosα

זווית השיפוע בעלת הערך α בה מתחיל הגוף להחליק מטה נקראת גם זווית החיכוך. השם זווית החיכוך נובע מכך שמתוך זווית זו ניתן למצוא את מקדם החיכוך,


μ = sinα / cosα

μ = tanα

חיכוך דינמי

כשגוף מונח על משטח ונמצא במצב מנוחה פועל עליו כוח חיכוך סטטי הנגדי לכיוון פעולת כוח המנסה להניע אותו. לאחר שהכוח הצליח להתגבר על כוח החיכוך (גדול ממנו) הגוף מתחיל לנוע. גם כשהגוף נמצא בתנועה פועל עליו כוח חיכוך, אך כוח חיכוך זה הוא לרוב קטן יותר מאשר כוח החיכוך הסטטי שפעל עליו כשהוא היה במנוחה.

כוח החיכוך הפועל על הגוף בזמן תנועתו נקרא כוח חיכוך דינמי. כוח החיכוך הדינמי מחושב לפי אותה נוסחה בה חושב כוח החיכוך הסטטי. ההבדל הוא שכוח החיכוך הדינמי הוא חלש יותר מכוח החיכוך הסטטי ולכן בעל מקדם חיכוך קטן יותר,


F_∩(dynamic) = μ_dynamic m g

הנה מספר דוגמאות לערכיהם של מקדם החיכוך הסטטי והדינמי:

סוג החומרים	מקדם חיכוך סטטי	מקדם חיכוך דינמי
מתכת על מתכת	0.7	0.6
זכוכית על זכוכית	0.95	0.4
צמיג על כביש יבש	1.0	0.65
צמיג על כביש רטוב	0.6	0.4

הערה: הערכים שבטבלה שלעיל הינם ערכים מקובלים. ערכו המדויק של מקדם החיכוך תלוי במידת הליטוש והחספוס של כל חומר.

דוגמה

משאית שמשקלה 4,000 קג"כ מתחילה בנסיעה על כביש יבש. כעבור כמה דקות מפסיקה המשאית להאיץ והיא נעה במהירות קבועה. מהו כוח התנגדות החיכוך של צמיגי המכונית על הכביש ברגע תחילת התנועה? ובמשך זמן תנועתה במהירות קבועה?


F_∩(static) = μ_static m g = 1 • 4,000 = 4,000

F_∩(dynamic) = μ_dynamic m g = 0.65 • 4,000 = 2,600

כלומר, כדי להתחיל להניע את המשאית ממצב מנוחה יש להפעיל כוח של 4,000 קג"כ. כדי שהמשאית תמשיך לנוע במהירות קבועה די בהפעלת כוח של 2,600 קג"כ בלבד.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - מכניקה | מכניקה - דינמיקה : שלושת חוקי ניוטון | מערכת יחידות SI | חיכוך | תקיפה ותנע | עבודה, נצילות והספק | אנרגיה | מכונות פשוטות | תנועה הרמונית פשוטה | מטוטלת מתמטית | מטוטלת פיזיקלית | תנועת לווינים | חוקי קפלר ]