ما هي وحدة قياس معامل الاحتكاك الحركي؟
يحدثُ الاحتكاك الحركيّ عندما يتحرّك جسمين متلاصقين باتجاهين متعاكسين، ولا يعُتبر الاحتكاك حكرًا على الأجسام الصلبة، إذ أنّ الاحتكاك يُمكن أن يحدث ما بين المواد السائلة والغازيّة أيضًا، ولكن كيف يُقاس معامل الاحتكاك الحركيّ؟ وما هي وحدته؟
الاحتكاك هو القوة المُقاومة التي يُقدمها السطح الذي يتحرك فوقه جسم ما، وذلك لمحاولة مُمانعة حركته وإيقافه، وتنتج قوة الاحتكاك نتيجة قوة الجذب المغناطيسي، وتكون هذه القوة في جميع الأحيان مُعاكسة لسرعة الجسم، وذلك بسبب تواجد النتوءات الصغيرة بين الجسم والسطح، ويوجد أكثر من نوع لقوى الاحتكاك مثل الاحتكاك الساكن والاحتكاك الناتج عن الدوران وغيرها من الأنواع، ولكن سأشرح لك سؤالك عن الاحتكاك الحركي.
وقوى الاحتكاك الحركي هو احتكاك يحدث عندما يتحرك جسمين على بعضهما البعض، بحيث يكون هنالك احتكاك للجسمين ببعضهما البعض، ويوجد لهذان الجسمان “معامل احتكاك حركي” يتم الترميز له بالرمز μ، وغالباً ما يكون معامل الاحتكاك الحركي أقل قمية من معامل الاحتكاك الساكن.
كيف يتم حساب معامل الاحتكاك الحركي؟
يتم حساب معامل الاحتكاك الحركي بواسطة العلاقة الرياضية التالية:
Fk =μk.Fn
حيث يوجد في الطرف الأيسر من العلاقة قوة الاحتكاك الحركي، أما في الطرف الأيمن يوجد معامل الاحتكاك الحركي مضروباً برد الفعل الذي يبديه السطح، ولا يوجد واحدة رياضية أو فيزيائية لقياس معامل الاحتكاك الحركي، كونه يأخذ أكثر من قيمة وذلك تبعاً لنوع المادة التي يمتلكها السطح الملامس.
أنواع قوة الاحتكاك
تعرف قوة الاحتكاك بأنها القوة التي تعارض حركة جسمٍ ما عند تحركه وهو ملاصق لجسم آخر وتحاول إيقافه، مثال: يتم استهلاك 20%من قوة محرك السيارة للتغلب على قوة الاحتكاك التي تؤثر عليه، وتنتج قوة الاحتكاك بشكلٍ رئيسيٍ من قوة الجذب المغناطيسي، التي تحصل بين ذرات الأجسام المتلامسة.
وهنالك عدة أنواع من قوة الاحتكاك هما:
- قوة الاحتكاك الساكنة: وفي هذه الحالة يكون الجسمان ثابتان بلا حراك، فتتغلب قوة الاحتكاك على القوة التي تؤثر على الأجسام وتمنعها من الحركة.
- قوة الاحتكاك المتحركة: وهي القوة التي تحصل بين الأجسام المتلاصقة عندما يكون أحدهما ثابتًا أو كلاهما متحركًا.
- الاحتكاك المنزلق “Sliding Friction”: يحدث عند التماس الانزلاقي مع الأجسام، أي عندما تنزلق الأجسام فوق سطح، هذا النزع من الاحتكاك أضعف من الشكل الساكن منه، يُفسر ذلك من خلال تحريك قطعة أثناء حيث أننا نجد أن بدء دفع قطعة الأثاث يكون أصعب من الاستمرار في دفعها.
- احتكاك الدحرجة “Rolling Friction”: هو الشكل من الاحتكاك الذي يحدث عندما يتدحرج جسم على سطح، هو أضعف بكثير من الاحتكاك الساكن والمنزلق، مثال عليه أشكال نقل البري التي تستخدم العجلات والزلاجات.
- احتكاك السوائل “Fluid Friction”: هو الاحتكاك الذي يؤثر على أي جسم يتحرك ضمن أي سائل، يُشعر به عندما ندخل يدنا في حوض ماء ثم نحركها وندفعها عبر الماء، ذاك الشعور يعني أننا واجهنا احتكاكاً بالسوائل!
وللاحتكاك الحركي معامل خاص به نحصل عليه من خلال معادلة قوة الاحتكاك الحركي، ناتج هذه المعادلة هو حاصل ضرب “معامل الاحتكاك الحركي النوعي للاحتكاك في الحالة التي ندرسها” بـ “قوة رد الفعل العمودي التي يطبقها السطح على الجسم.
عندما يتم تحريك ثلاث قطعٍ بلاستيكيةٍ تملك نفس الوزن على سطح طاولة، فإن قوة الاحتكاك تساوي تمامًا ثلاثة أضعاف القوة التي تنشأ عند تحريك قطعة واحدة فقط، أي أن النسبة ما بين الوزن والاحتكاك ثابتة وتوصف بالمعادلة التالية : u=F/L
حيث u: معامل الاحتكاك الحركي.
F: قوة الاحتكاك وتقاس بالنيوتن.
L: قوة وزن الجسم وتقاس بالنيوتن.
ومن الواضح في المعادلة السابقة وعند اختزالها، نجد أن كلًا من الوزن وقوة الاحتكاك تقاس بالنيوتن، وينتج عن ذلك أن معامل الاحتكاك الحراري لا يملك واحدة قياس وتكون قيمته ثابتةً في كل مادة.
قياس الاحتكاك الحركي مع اختلاف الأسطح
يُعرّف الاحتكاك الحركيّ على أنّه قوة المقاومة التي تنشأ عند وجود سطحين متلامسين أو متلاصقين ويتحركان بحركة انزلاقيّة، حيث يؤدّي هذا الاحتكاك المتولّد بين السطحين إلى نشوء قوّة تحاول ممانعة هذه الحركة وإبطالها، ومن الأمثلة البسيطة عن الاحتكاك الحركيّ هو دفع بعض الأشخاص لسيارة مركونة على طريق اسفلتي. وبما أنّ الاحتكاك الحركي عبارة عن قوّة فهو يقاس بالجملة الدولية بواحدة النيوتن N، وتُحسب قوّة الاحتكاك الحركي بتطبيق المعادلة الخاصّة بها والتي تنص على:
Fk =μk.Fn
حيث أنّ:
Fk: قوّة الاحتكاك الحركيّ.
μk: معامل الاحتكاك الحركيّ.
Fn: يُعبّر عن قوة رد الفعل التي يطبّقها السطح، وتُحسب من خلال علاقة قوّة الثقل: W=m.g حيث أنّ m هي كتلة الجسم، و g هو تسارع الجاذبيّة الأرضيّة.
ونظرً لاختلاف الأسطح من ناحية الخشونة أو الملاسة، فلا بُدَّ من إضافة معامل عددي لتصحيح العلاقة الرياضيّة، وبالتالي في حالة قوّة الاحتكاك الحركيّ نُعبّر عن ذلك بمعامل قوة الاحتكاك الحركيّ μk، والذي يأخذ قيمًا مختلفة وذلك تبعًا لنوع المادة المصنوع منها السطح، ويُلفظ الرمز μ “ميو” وهو حرف يونانيّ، وكسائر أنواع المعاملات التي تدخل في العلاقات الرياضيّة للحصول على النتائج الدقيقة، فإنّ معامل الاحتكاك الحركيّ ليس له واحدة.
وفي النهاية فإن الاحتكاك “Friction” بتعريفه البسيط هو القوة المُقاوِمة التي تعارض الحركة، يعمل الاحتكاك بشكل معاكس للاتجاه الذي يتحرك به الجسم فيبطئ من حركته، وكلما كان السطح خشنًا أكثر كلما كان الاحتكاك أكبر ويولد طاقة حرارية أعلى؛ أما عندما يكون السطح ناعمًا فيكون الاحتكاك بأدنى مستوياته، ومن هنا يتم استخدام الزيوت كمادة مزلقة تقلل الاحتكاك.