اصطکاک یکی از مهمترین و پرکاربردترین نیروهای تماسی است. این نیرو همواره موازی سطح تماس دو جسم و در خلاف جهت حرکت، بر آن وارد میشود. نکته اساسی این است که نیروی اصطکاک بسته به وضعیت جسم (این که ساکن باشد یا متحرک) رفتار متفاوت از خود نشان میدهد. به همین دلیل باید نیروی اصطکاک بین دو جسم را در وضعیت سکون (یا ایستایی) و در حال حرکت (یا جنبشی) به صورت جداگانه تحلیل کنیم.
در این مطلب از مدرسه رفلاین نیروی اصطکاک با چند مثال کاربردی به همراه راه حل کاملا تشریحی توضیح داده خواهد شد. یکی از مشکلات رایج که دانش آموزان در حل مسائل فیزیک با آن مواجه میشوند این است که اصلا نمیدانند از کجا شروع به حل کنند. با رفلاین همراه باشید تا قدم به قدم پیش برویم 🙂
سوال 1:
یک سورتمه روی مسیر افقی پوشیده از برف با سرعت 4m/s حرکت میکند. اگر ضریب اصطکاک جنبشی برابر با 0/05 باشد، سورتمه تا قبل از توقف چه مسافتی را طی میکند؟
قبل از هر کاری صورت سوال را به دقت خوانده و اطلاعاتی که به ما داده شده را یادداشت میکنیم:
با دقت در داده های سوال، چون به ما اندازه سرعت را داده و مسافت را خواسته و از طرفی از زمان خبری نیست، بهتر است در قدم اول معادله مستقل از زمان را بنویسیم:
در فرمول بالا همانطور که مشخص شده است، هم شتاب را نداریم و هم مسافت. چون مسافت پارامتری است که سوال خواسته محاسبه کنیم، پس اول باید شتاب را پیدا کنیم. از آنجایی که جسم در حال حرکت استبرای محاسبه شتاب از فرمول زیر کمک میگیریم:
هر کجا سر و کله نیرو پیدا شد بهترین کار این است که نیروهای وارد بر جسم را رسم کنیم تا دید بهتری داشته باشیم:
با توجه به شکل بالا تنها نیرویی که در راستای حرکت (افقی) به سورتمه وارد میشود، نیروی اصطکاک است. پس در فرمول، به جای نیروی برآیند، نیروی اصطکاک را قرار میدهیم که چون در خلاف جهت حرکت است علامت منفی میگیرد:
برای محاسبه نیروی عمودی سطح، به شکلی که نیروها را رسم کردیم برمیگردیم. در شکل مشخص است که نیروی عمودی سطح با نیروی وزن جسم برابر است. پس در فرمول بالا نیروی وزن را به جای نیروی عمودی سطح قرار میدهیم:
حالا کافیست مقدار ضریب اصطکاک جنبشی و شتاب گرانش را در فرمول بالا جایگذاری کنیم تا اندازه شتاب سورتمه را بدست آوریم:
اکنون با داشتن اندازه شتاب، به معادله حرکت که در ابتدا نوشتیم بر میگردیم و مقدار آن را به همراه سرعت اولیه و نهایی در فرمول جایگذاری میکنیم:
همانطور که دیدید مهم ترین قدم این بود که با توجه به اطلاعات سوال، معادله مستقل از زمان را انتخاب کردیم. بعد از آن فقط در هر مرحله پارامترهایی را که نداشتیم حساب کردیم و با این کار بدون سردرگمی به جواب رسیدیم 🙂
سوال 2:
مطابق شکل جسمی به جرم 3/16kg تحت تاثیر نیروی F بر روی سطح افقی در حال حرکت است.
الف)
اندازه نیروی اصطکاک وارد شده بر جسم چند نیوتن است؟
ب)
شتاب حرکت جسم را محاسبه کنید.
اطلاعاتی که مساله به ما داده:
قبل از هر کاری نیروهای وارد بر جسم را رسم میکنیم:
برای پیدا کردن نیروی عمودی سطح باید به دیاگرام نیروهایی که رسم کردیم نگاه کنیم. مشخص است که این نیرو با مجموع نیروهای وزن و مؤلفه عمودی نیروی محرک (F sin40) برابر است:
با دقت در شکلی که نیروهای وارد بر جسم را رسم کردیم، برآیند نیروهایی که در راستای حرکت (افقی) به جسم وارد میشوند را مطابق زیر مینویسیم:
