قوة الاحتكاك

هل حاولت يومًا تحريك قطعٍ من أثاث المنزل وتطلب منك تحريكها على السجاد وقتًا وجهدًا أكبر من تحريكها على البلاط؟ مع أن وزن قطع الأثاث بقي ثابتًا؟ أو هل تساءلت عن سبب ثبات السيارة المركونة على تلةٍ؟ السبب في الحالتين هو قوة الاحتكاك بنوعيها الساكن والمتحرك.

الاحتكاك هو قوة المقاومة التي يطبقها السطح على الجسم المتحرك فوقه في محاولةٍ لدفعه للتوقف، تنتج قوى الاحتكاك هذه عن قوة الجذب المغناطيسية بين الذرات المشحونة على السطح وفي الجسم المتحرك في المناطق التي يتلامسان بها.

يتم حساب قوة الاحتكاك الحركي بواسطة معادلةٍ يكون فيها الناتج هو حاصل ضرب معامل الاحتكاك الحركي الخاص بنوع الاحتكاك في الحالة التي نقيسها، بقوة رد الفعل العمودي التي يطبقها السطح على الجسم المتحرك، فتصبح المعادلة بالشكل:

Fk =μk.Fn

تقاس قوى الاحتكاك الحركي بواحدة النيوتن N (نسبة للعالم إسحق نيوتن)، بينما لا يقاس معامل الاحتكاك الحركي بأيّ واحدةٍ، وتكون قيمته معلومةً وثابتةً لكل مادةٍ.

يتعقد حساب قوة الاحتكاك الحركي عندما يكون السطح الذي يتحرك الجسم عليه مائلًا بسبب دخول متغيراتٍ جديدةٍ إلى المعادلة، فعلى سبيل المثال؛ عند إزاحة قطعةٍ من الزجاج وزنها 2 كيلوجرام على سطحٍ زجاجيٍّ يبلغ معدل الاحتكاك الحركي الخاص به 0.4، وباعتبار g فرضيًّا تساوي 9.81 m/s2، تصبح المعادلة بالشكل:

Fk ​​= μk​Fn​ = μk​mg = 0.4×2kg×9.81m/s2 = 7.85N

بفرض ميلان السطح الذي ينزلق عليه الجسم بزاوية θ ستتغير معادلة القوة لتصبح:

(Fk​​ = μk ​Fn ​= μk​ mg cos(θ

من المثال السابق، وبفرض ميلان السطح الزجاجي بزاوية 20 درجةً تصبح معادلة الحل كالتالي:

Fk​​ = μk​Fn​ = μk​ mg cos(θ) = 0.4×2kg×9.81m/s2×cos(20°) = 7.37N​

تعبّر قوى الاحتكاك الساكن عن أعلى مقدارٍ للقوة يجب تخطيه حتى يتحرك الجسم الساكن، فعند محاولة تحريك جسمٍ ثابتٍ بدفعه نقوم بتطبيق قوة عليه، تزداد نتيجة ذلك قوى الاحتكاك الساكن لمعادلة هذه القوة المطبقة وبشكلٍ معاكسٍ بهدف إبقاء الجسم في مكانه حتى نصل لنقطةٍ عظمى لقوة الاحتكاك الساكنة، يمكن عند تخطيها تحريك الجسم الساكن، تتمثل هذه القوة بمعادلةٍ رياضيةٍ:

F_s = μ_s × F_N

تنتج قوى الاحتكاك الساكن نتيجة قوى التجاذب بين الذرات المختلفة بالشحنة في السطح والجسم الموضوع عليه، ما يعني بأن تلك القوة تختلف باختلاف نوع السطح. يُعرف هذا الاختلاف بين الأنواع المختلفة للسطوح بمعامل الاحتكاك الساكن ورمزه μ_s، وتكون للمعامل قيمٌ ثابتةٌ لكل نوع سطح.