نیروی اصطکاک (Friction) چیست؟
نیروی اصطکاک، نوعی نیروی تماسی (contact force) است که در اثر حرکت دو سطح نسبت به یکدیگر ایجاد می‌شود به نحوی که با حرکت نسبی این سطح مخالفت/ممانعت می‌کند. اغلب افراد فکر می‌کنند اصطکاک مضرر است و فقط باعث هدر رفت انرژی می‌شود، در حالی که در برخی موارد اصطکاک نیروی لازم و ضروری در حرکت است. مثل نیروی اصطکاک کفش ما با زمین یا نیروی اصطکاک تایر خودرو با آسفالت که موجب حرکت می‌شود. در این موارد اگر نیروی اصطکاک کافی نباشد (مثل زمانی که برف می‌بارد) روی سطوح لیز می‌خوریم.
بنابراین نیروی اصطکاک در مواردی بسیار مفید و ضروری است و در سایر موارد نیرویی مضر است که موجب اتلاف انرژی در سیستم‌های مکانیکی می‌شود. در صورتی که اصطکاک نیروی مضری باشد باید با روانکاری (lubrication) یا کاهش زبری سطح (surface roughness) این نیروی را کاهش دهیم.
عوامل موثر بر نیروی اصطکاک به شرح زیر است:
- ماهیت سطوح تماس (nature of the surfaces) به ویژه زبری سطح (surface roughness)
- نیروی عکس العمل سطح (reaction force)
- مساحت ناحیه تماس (area of contact)
- سختی (hardness) سطوح و الاستیسیته (elasticity) ماده
- روانکاری (lubrication) سطوح
اصطکاک خشک (Dry Friction)
نیروی اصطکاک میان دو سطح جامد بدون هیچ سیال روانکاری (lubricant) را اصطکاک خشک (dry friction) می‌نامند. اصطکاک خشک را می‌توان به 3 دسته تقسیم کرد:
- اصطکاک ایستایی (static friction)
- صطکاک لغزشی (Sliding Friction) یا اصطکاک جنبشی (Kinetic Friction)
- اصطکاک غلتشی (Rolling Friction)
در ادامه هریک از انوع اصطکاک‌های خشک (dry friction) و نحوه محاسبه نیرو و جهت آن را توضیح می‌دهیم.
اصطکاک ایستایی (static friction)
اصطکاک ایستایی (static friction) میان سطحی رخ می‌دهد که نسبت به یکدیگر حرکت نمی‌کنند. این نیرو از حرکت نسبی سطوح جلوگیری می‌کند و مقدار آن از صفر تا نیروی اصطکاک ایستایی آستانه حرکت (static friction threshold) افزایش می‌یابد. اگر نیروی عاملِ حرکت بیش از نیروی اصطکاک آستانه حرکت شود، جسم از ایستایی در می‌آید.
برای مثال، اصطکاک ایستایی از لیز خوردن کتابی که روی یک میز شیبدار است جلوگیری می‌کند تا زمانی که زاویه سطح شیبدار به اندازه‌ای زیاد شود که بر بیشینه نیروی اصطکاک ایستایی (نیروی اصطکاک ایستایی در آستانه حرکت) نیرو غلبه کند. نیروی اصطکاک ایستایی با توجه به معادلات تعادل جسم یا در آستانه حرکت بودن جسم محاسبه می‌شود. بنابراین دقت کنید نیروی اصطکاک ایستایی معمولا از معادلات تعادل استاتیکی سیستم حاصل می‌شود و مقدار آن از صفر تا نیروی اصطکاک حداکثر تغییر می‌کند. نیروی اصطکاک ایستایی در آستانه حرکت از رابطه زیر محاسبه می‌شود.
اصطکاک لغزشی (Sliding Friction) یا اصطکاک جنبشی (Kinetic Friction)
در صورتی که حرکت نسبی میان سطوح تماس دو جسم وجود داشته باشد، نیروی اصطکاک بوجود آمده میان این سطوح از نوع نیروی اصطکاک جنبشی (kinetic friction) است. اندازه نیروی اصطکاک جنبشی همواره از نیروی اصطکاک ایستایی آستانه حرکت کمتر است. همین موضوع ساده اساس کار ترمزهای ABS است.
متداول‌ترین فرمولاسیون مربوط به اصطکاک لغزشی (Sliding Friction) یا اصطکاک جنبشی (Kinetic Friction)، رابطه اصطکاک کولمب (Coulomb Friction) است که به صورت زیر بیان می‌شود
که در آن µ ضریب اصطکاک و N نیروی عمودی سطح است. اما نکته مهم این است که این تعاریف مرسوم همگی مربوط به اصطکاک لغزشی است، یعنی هنگامی که جسمی روی یک سطح در حال لغزیدن است. در حالی که نوع دیگری از اصطکاک هم وجود دارد که در هنگام حرکت غلتشی یک جسم به وجود می‌آید که آن را اصطکاک غلتشی می‌نامند.
اصطکاک غلتشی (Rolling Friction)
اصطکاک غلتشی (Rolling Friction) زمانی رخ می‌دهد که یک جسم روی سطحی می‌غلتد، مثال مشهور اصطکاک غلتشی (Rolling Friction) حرکت بدون لغزش تایر خودرو روی سطح جاده است. نیروی اصطکاک غلتشی (Rolling Friction) معمولاً کمتر از نیروی اصطکاک ایستایی (static) و نیروی اصطکاک جنبشی (kinetic) است. بنابراین غلتیدن اجسام آسان‌تر از لغزش است. به همین دلیل است که وسایل نقلیه می‌توانند به طور موثرتری روی چرخ‌ها نسبت به لغزش روی سطوح صاف حرکت کنند.
یک دیسک متحرک را در نظر بگیرید که روی سطح شیبدار به سمت پایین در حال حرکت غلتشی بدون لغزش است. با صرفنظر کردن از مقاومت هوا، می‌توان دیاگرام جسم آزاد این سیستم را به صورت زیر رسم کرد:
ابتدا دو نیروی وزن (W) و عمودی تکیه‌گاه (N) را در نظر گرفته و برآیند گشتاورهای آن‌ها را حول محل تماس با سطح شیبدار محاسبه می‌کنیم. نتیجه برابر با rWsinθ خواهد بود، که r شعاع دیسک است. حال اگر برآیند گشتاورها را این بار حول مرکز جرم دیسک حساب کنیم، پاسخ برابر با صفر است (زیرا امتداد هر دو نیرو از این نقطه می‌گذرد). پس اگر تنها نیروهای وارد بر دیسک در حال غلتش را W و N بدانیم، با تناقض مواجه می‌شویم.
برای رفع این تناقض، قاعدتاً باید گشتاور دیگری در سیستم وجود داشته باشد که ما آن را به حساب نیاورده‌ایم. گشتاور مستتر در این مسئله، همان گشتاور ناشی از نیرویی است که آن را اصطکاک غلتشی می‌نامیم و در شکل با Ff مشخص شده است.
گرچه نیروی فوق نیز اصطکاک نامیده می‌شود، اما ماهیت آن تفاوت‌هایی با نیروی اصطکاک لغزشی دارد و لذا روابط ریاضی حاکم بر اصطکاک لغرشی نیز برای اصطکاک غلتشی صادق نیست. به طور کلی تفاوت‌های اصلی دو نیروی اصطکاک لغزشی و غلتشی بدین صورت است:
اصطکاک لغزشی در اثر لغزش دو سطح روی یکدیگر به وجود می‌آید، در حالی که اصطکاک غلتشی در حین غلتش یک سطح به وجود می‌آید. منشأ اصطکاک لغزشی پستی و بلندی‌های میکروسکوپی سطح است، اما منشأ اصطکاک غلتشی تغییر شکل سطوح حین غلتش است.
ضریب اصطکاک لغزشی خیلی به عوامل خارجی وابسته نیست و عموماً به ویژگی‌های سطح بستگی دارد (و به همین دلیل معمولاً آن را ثابت در نظر می‌گیرند)، اما ضریب اصطکاک غلتشی به عواملی چون شعاع جسم در حال غلتش، میزان فرورفتگی دو جسم، سختی سطح و بسیاری عوامل دیگر وابسته است.
با توجه به موارد فوق، می‌توان دریافت که الزاماً نمی‌توان رابطه ریاضی ساده‌ای همانند اصطکاک لغزشی برای اصطکاک غلتشی نیز ارائه داد. لذا عموماً در مکانیک کلاسیک نیوتنی برای محاسبه نیروی اصطکاک غلتشی به طور غیرمستقیم و از طریق نوشتن قوانین نیوتن و اویلر (برآیند نیروها و گشتاورها) استفاده می‌شود.
البته نکته بسیار مهم و جالب این است که برای یک وزن مشخص، نیروی اصطکاک غلتشی به مراتب کمتر از نیروی اصطکاک لغزشی است. به همین دلیل است که به طور مثال اگر بخواهیم یک جعبه را روی سطح زمین جابجا کنیم، حرکت دادن آن وقتی بر روی یک گاری قرار دارد به مراتب راحت تر از حالتی است که مستقیماً بخواهیم آن را هل بدهیم! در واقع فهم تجربی همین مسئله بود که باعث اختراع چرخ توسط اجداد ما شد، که یک اختراع بسیار تأثیرگذار در تاریخ بشریت بود.
اصطکاک مرطوب، تر یا خیس (Wet Friction)
اصطکاک مرطوب، تر یا خیس (Wet Friction) در صورتی رخ می‌دهد که جسم جامدی در سیال حرکت کند یا سطوح تماس میان دو جسم جامد با سیالی روانکاری (lubrication) شده باشد.
اصطکاک سیال (Fluid Friction)
اصطکاک سیال (Fluid Friction) هنگامی به وجود می‌آید که جسمی جامد و در حال حرکت کاملا درون محیط سیال قرار داشته باشد. این نیروی اصطکاک از طرف سیال بر جسم در حال حرکت وارد می‌شود و موجب کاهش سرعت و در نهایت توقف جسم می‌شود. نیروی ایرودینامیک (aerodynamic) وارد بر خودرو و هواپیما نمونه‌ای از نیروی اصطکاک سیال (Fluid Friction) است. نیروی مقاومی که هنگام شنا کردن بر شناگر وارد می‌شود نیز اصطکاک سیال (Fluid Friction) است.
اصطکاک لایه نازک سیال (Mixed-film Friction)
اصطکاک لایه نازک سیال (Mixed-film Friction) زمانی رخ می‌دهد که میان سطوح تماس لایه‌ای نازک از سیال روان‌کننده وجود داشته باشد به نحوی که کل سطح تماس را پوشانده باشد. اصطکاک لایه نازک سیال (Mixed-film Friction) در یاتاقان‌ها (bearings) و بسیاری از اجزای موتور خودرو وجود دارد.
اصطکاک مرزی (Boundary Friction)
اصطکاک مرزی (Boundary Friction) زمانی رخ می‌دهد که در قسمت‌هایی از سطوح تماس دو جسم سیال وجود داشته باشد.
نویسنده:
دکتر بهنام یزدان‌خو
دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک دانشگاه تهران
(برای مطالعه بیشتر روی نام یا تصویر ایشان کلیک کنید)