تحقيق مسبار
تُعد قوة الاحتكاك واحدة من القوى التي تكثر تطبيقاتها العملية في الحياة اليومية، ومنها ثبات الأشياء عند وضعها في مكان ما على سطح آخر، وثبات عجلات السيارة على الأرض أثناء المشي. يعتني هذا المقال بتوضيح كثيرٍ من المعلومات والخصائص لهذه القوة مع بيان بعض من فوائدها في الحياة العملية أيضًا.
هل يمكن قياس قوة الاحتكاك؟
يمكن قياس قوة الاحتكاك بالاعتماد على قانون نيوتن الثاني في الحركة؛ فإن هذا القانون ينص على تناسب القوة بشكل طردي مع التسارع وكتلة الجسم، وبما أن الاحتكاك من أنواع القوة؛ فيمكن حسابه بالاعتماد على هذا القانون. هُناك العديد من العوامل التي تؤثر على قوة الاحتكاك؛ منها: خصائص السطح من الخشونة أو النعومة.
ماهو الاحتكاك؟
يُمكن تعريف الاحتكاك بأنه القوة التي تقاوم انزلاق الجسم الصلب على جسم صلب آخر، وعلى الرغم من الفائدة التي تقدّمها هذه القوة في كثير من الأحيان؛ إلا إنها تؤدي إلى استنزاف الطاقة أحيانًا، ومن ذلك استنزاف 20% من الطاقة التي ينتجها محرك السيارة للتعامل مع قوة الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة من المحرك ذاته حسب موسوعة بريتانيكا.
كيف يتم حساب قوة الاحتكاك؟
بالاعتماد على قانون نيوتن الثاني في الحركة يتبيّن أن القوة تساوي التسارع مضروبًا بالكتلة، ويعتمد الاحتكاك على تسارع الجاذبية الأرضية الثابت مما يجعل حسابه أكثر سهولة؛ فإنه يُحسب بعد معرفة محصلة التسارع على كل من المستوى السيني والمستوى الصادي، وينبغي أخذ معامل الاحتكاك الثابت أو الحركي بعين الاعتبار عند الحساب أيضًا.
ما هي أنواع الاحتكاك؟
إن الاحتكاك السكوني والحركي أبرز نوعين من أنواع قوة الاحتكاك، لكن هناك بعض الأنواع الأخرى أيضًا، وتبُيّن القائمة الآتية أنواع الاحتكاك المختلفة:
- الاحتكاك السكوني: يتم تطبيق الاحتكاك الساكن على العناصر والأجسام المستقرة دون حركة على السطح؛ منها الاحتكاك السكوني بين الحذاء والأرض عندما تستقر القدم على الأرض أثناء المشي، وهو ما يمنع من الانزلاق.
- الاحتكاك الحركي: يتم تعريف الاحتكاك السكوني بأنه قوة احتكاك ناتجة عن مقاومة الحركة التي تنتج عندما يتحرك السطحان المتلامسان بشكل معاكس، ويُطلق على هذا النوع كذلك اسم الاحتكاك الانزلاقي وفق موقع سيانسنغ.
- احتكاك التدحرج: ينتج احتكاك التدحرج عن الأجسام التي تتدحرج على الأسطح المختلفة، وهو احتكاك ضعيف مقارنةً بالاحتكاك السكوني والحركي، ولذلك تعتمد معظم مركبات النقل البري على العجلات التي تتدحرج على الأسطح.
- احتكاك الموائع: يؤثر هذا النوع من الاحتكاك على الأجسام التي تتحرك في الموائع المختلفة، سواء كانت من السوائل أو الغازات، ومن الأمثلة عليه الاحتكاك الذي يلاحظه الشخص عند محاولة دفع اليد المفتوحة من خلال الماء.
كيف يمكن زيادة قوة الاحتكاك للأسطح المختلفة؟
إن الاحتكاك الناتج عن السطح الخشن يكون مرتفعًا مقارنةً بقوة الاحتكاك التي تنتج عن السطوح الملساء، هذا يعني أن الاحتكاك يزداد عندما يصبح السطح أكثر خشونة، وفيما يأتي بعضًا من الإرشادات والأساليب لزيادة قوة الاحتكاك بين الأسطح:
- إنشاء رابطة اتصال أكثر التصاقًا: إذا تم اختيار الأسطح الأكثر التصاقًا؛ فإن ذلك يؤدي إلى تفاعل الذرات بين هذه الأسطح مع بعضها البعض بطريقة تتسبب بزيادة الاحتكاك، ولذلك يمكن اختيار الأسطح الكاشطة أو المطاط لتوفير احتكاك أكبر.
- الضغط على السطحين بقوة أكبر: يتناسب الاحتكاك طرديًا مع قدر القوة التي يتم تطبيقها على الأسطح بشكل عامودي، ولذلك يستطيع المرء الضغط على السطحين عاموديًا لزيادة قوة الاحتكاك التي بينهما.
- إيقاف الحركة النسبية: في حالة كان أحد الجسمين يتحرك بالنسبة إلى الجسم الأخر؛ فينبغي إيقاف الحركة المذكورة حتى تزداد قوة الاحتكاك؛ فإن قوة الاحتكاك السكونية أكبر من قوة الاحتكاك الحركية التي تنتج عند تحرك أحد السطحين.
- التخلص من التزييت بين السطحين: تُسهم المُزلّقات المختلفة؛ بما فيها الزيوت والشحوم وغيرها، من قوة الاحتكاك التي تنتج بين الأسطح، هذا يعني أن الاحتكاك يزداد بشكل كبير عند إزالة هذه المزلقات والتخلص منها.
- إزالة العناصر المتدحرجة: تقف بعض الأجسام على العجلات أو المحاملات التي يمكنها التدحرج، وإذا تمّت إزالة هذه الأجزاء والاعتماد على السطح المنزلق للجسم نفسه؛ فإن قوة الاحتكاك بين السطحين تزداد بالفعل.
- زيادة لزوجة السوائل: تعتمد قوة الاحتكاك التي تتولد في السوائل على عدة عوامل؛ منها اللزوجة، فإن الاحتكاك يزداد كلما كانت لزوجة السائل أكبر، وتنخفض قيمة الاحتكاك عندما يكون السائل أقل لزوجة.
هل توجد طريقة ليتعلم الطلاب مفهوم الاحتكاك؟
هُناك عدة من الخطوات التي يستطيع المدرسون الاعتماد عليها؛ ليتمكّن الطلبة من استيعاب ماهو الاحتكاك ومعرفة بعض المعلومات المهمة حوله، وفيما يأتي واحدة من الطرق التي يمكنها المساعدة في تعليم مفاهيم قوة الاحتكاك:
- توفير الأدوات المناسبة: ينبغي على المعلم توفير عدة أدوات للقيام بتجربة عملية عن قوة الاحتكاك، ويشمل ذلك إحضار قطعة خشبية وسطح منزلق سواءً كان كتابًا أو غيره، كذلك ينبغي توفير قطعة بلاستيكية لينزلق عليها الطلبة.
- تزليق الجسم على الخشبة بدون صابون: بعد الانتهاء من جمع الأدوات يقوم المعلم بوضع الجسم المنزلق على القطعة الخشبية، ثم يبدأ بزيادة الزاوية تدريجيًا حتى يبدأ الجسم بالانزلاق والاحتكاك مع الخشبة؛ لتوضيح العلاقة بين الزاوية والاحتكاك.
- تزليق الجسم على الخشبة باستخدام الصابون: تتم إعادة التجربة مرةً أخرى بعد وضع الصابون على الجسم المُنزلق؛ ليتعرّف الطالب على طبيعة التغيّر التي تأثر بها هذا الجسم نتيجةً للصابون.
- انزلاق الطلبة على قطعة بلاستيكية: يستطيع المعلم الاعتماد على قطعة بلاستيكية لينزلق الطلبة عليها مع وجود مياه على السطح الآخر فحسب، وبعدها يتم استخدام الصابون والانزلاق مرةً أخرى، ثم المقارنة بين قوة الاحتكاك في المرتين.
ما هي فوائد الاحتكاك؟
لا شك بأن هُناك كثيرًا من الفوائد لقوة الاحتكاك بالفعل، وتعود الفوائد المعروفة الأولى للاحتكاك إلى مئات الآلاف من السنوات، وذلك عندما تمكّن البشر من إيقاد النار من خلال فرك قطعتين خشبيتين مع بعضهما البعض، وفيما يأتي بعضًا من الفوائد الأخرى لقوة الاحتكاك:
- منع الانزلاق: يضمن الاحتكاك السكوني بقاء الأشياء في مكانها وعدم انزلاقها على السطح، ويفيد ذلك في ثبات القدم عندما يمشي الإنسان؛ فإن المرء لا يستطيع المشي بثبات على الأسطح الجليدية عادةً لغياب قوة الاحتكاك السكوني.
- إيقاف السيارة: أثناء مشي السيارة على الطريق يتم استخدام المكابح لإيقافها أو تقليل السرعة؛ ذلك لأن المكابح تضغط على قرص يعتمد على قوة الاحتكاك لإيقاف دوران العجلات، وهي واحدةٌ من أبرز الفوائد المعروفة للاحتكاك.
- المحافظة على حركة المركبات: يُسمح احتكاك الدحرجة للمركبات بالسير على الطريق مع مقاومة الانزلاق الذي يمكن أن تتعرض إليه العجلات أو المُحاملات، هذا يعني أنه يحافظ على حالة حركة المركبات.
- السماح للطائرات بالطيران: عندما يحتك الهواء الذي يلتصق بجناح الطائرة مع طبقات الهواء التي فوق الجناح؛ تنتج قوة تسمح للطائرة بالثبات في الهواء والتحليق على النحو المعرف، وذلك بالاعتماد على قوة احتكاك الموائع.
هل يتسبب الاحتكاك بأية آثار سلبية؟
على الرغم من الفوائد التي يجنيها الإنسان من الاحتكاك؛ إلا إن هُناك عدة آثار سلبية تنتج عن هذه القوة، ومنها: تلف الأجزاء التي تحتك مع بعضها البعض من الآلات، وكذلك فقدان الطاقة التي يتم توليدها وتحويلها إلى حرارة، وعادةً ما يتم التعامل مع هذه الآثار السلبية عن طريق استخدام المزلقات لتقليل قوة الاحتكاك إلى أدنى حدٍّ مُمكن.
ما هي أبرز المعلومات عن قوة الاحتكاك؟
توجد الكثير من المعلومات المهمة التي تتعلق بقوة الاحتكاك بين الأجسام، وتتضمن القائمة الآتية عدة من أبرز هذه المعلومات:
- اتجاه قوة الاحتكاك: إن قوة الاحتكاك مُماسّة للسطح الذي يتلامس فيه الجسمين دائمًا، وتعمل هذه القوة في الاتجاه المعاكس للاتجاه الذي يميل الجسم إلى التحرك نحوه.
- تأثير خشونة السطح على الاحتكاك: تعتمد قوة الاحتكاك على عدة عوامل؛ أبرزها خشونة السطح ونعومته، هذا يعني أن الاحتكاك الناتج عن السطح الخشن يكون مرتفعًا، وأما الاحتكاك الناتج عن الأسطح الناعمة يكون متدنيًا.
- تأثر الحركة بقوة الاحتكاك: تنتج قوة الاحتكاك بين الأجسام المتصلة مع بعضها البعض في أسطحها، وتقوم هذه القوة بإبطاء حركة الأجسام المتحركة أو توقف الحركة بينهما بشكل كامل.
- التعامل مع احتكاك الموائع: لا يتقصر الاحتكاك على الأجسام الصلبة وإنما يشمل الموائع، ويتم التعامل مع احتكاك الأجسام الصلبة مع الموائع عن طريق تعديل التصميم ليصبح أكثر انسيابية، ويسمح بتدفق الموائع من حول هذه الأجسام.
هل هناك عدة أنواع من القوى غير الاحتكاك؟
توجد كثيرٌ من القوى غير قوة الاحتكاك بالفعل، ومنها ما يأتي:
- قوة التماس: تتضمن قوة التماس عدة أنواع فرعية أخرى من القوة، وهي القوة التي تنتج عندما يقوم أحد الأجسام بالتأثير على جسم آخر مع وجود اتصال بينهما، ومنها قوة الزنبرك وقوة الشد، بالإضافة إلى القوة المطبّقة.
- القوة المغناطيسية: إن القوة المغناطيسية من القوى غير التماسية، وهي القوة التي تنتج عن المغناطيسي وتؤدي إلى جذب بعض أنواع المعادن؛ مثل الحديد، وفي القرن الثامن عشر اكتشف العلماء وجود خصائص متشابهة بينها وبين القوة الكهربائية.
- الجاذبية: تقوم الجاذبية بسحب الأشياء إلى الأسفل على كوكب الأرض بدلًا من الطفو أو الصعود إلى أعلى، وهناك جاذبية تنشأ بين الأجرام السماوية المختلفة وتضمن لها السير في مسارها المعروف.
اقرأ/ي أيضًا:
