الاحتكاك هي القوة المقاومة التي تحدث عند تحرك سطحين متلاصقين باتجاهين متعاكسين عندماقد يكون بينهما قوة ضاغطة تعمل على تلاحمهما معا (وزن أحد الجسمين مثلا). وتنتج كمية من الحرارة. ويحدث الاحتكاك بين المواد الصلبة، السائلة والغازية أوأي تشكيلة منهم.

وقوة الاحتكاك هي حاصل ضرب القوة الضاغطة بين الجسمين في معامل الاحتكاك. قح = قض X µ حيث: قح: قوة الاحتكاك قض: القوة الضاغطة بين الجسمين أوالقوة العمودية على السطح الفاصل بينهما µ: معامل الاحتكاك، إما الساكن(µس) أوالحركي(µح)

يعتبر الاحتكاك قوة تطبق في الاتجاه العكسي لسرعة الجسم. فمثلا إذا دُفع كرسي على الأرض نحواليمين تكون قوة الاحتكاك متجهة إلى اليسار. تنشأ قوة الاحتكاك بين الأجسام نتيجة وجود نتوءات وفجوات بين الأسطح فحدثا كانت الأسطح ملساء حدثا قلت تلك القوة. أثناء تحرك الجسم على السطح ، تصطدم جميع من النتوءات الصغيرة الموجودة عليه وذلك السطح، وحينئذ تكون القوة مطلوبة لنقل النتوءات بجانب بعضها الآخر. وتعتمد منطقة الاتصال العملي على القوة العمودية بين الجسم والسطح المنزلق. وتتناسب هذه القوة الاحتكاكية مع إجمالي القوة العمودية وتعادل هذه القوة غالبا وزن الجسم المنزلق تماما. وفي حالة الاحتكاك الجاف المنزلق حيث لا يوجد تشحيم أوتزييت، تكون قوة الاحتكاك مستقلة عن السرعة تقريبا. كما حتى قوة الاحتكاك لا تعتمد على منطقة الاتصال بين الجسم والسطح الذي ينزلق عليه. وتعتبر منطقة الاحتكاك العملية منطقة صغيرة الحجم نسبيا، وتعهد منطقة الاحتكاك بأنها تلك المنطقة التي يحدث فيها تلامس عملي بين جميع من النتوءات الصغيرة الموجودة على الجسم والسطح الذي ينزلق عليه[3].

معامل الاحتكاك

معامل الاحتكاك هوكمية عددية تستخدم للتعبير عن النسبة بين قوة الاحتكاك بين جسمين والقوة الضاغطة بينهما، وليس له وحدة قياس . ويعتمد على مادتي الجسمين .مثلا الجليد على المعدن لهما معامل احتكاك قليل (أي إنهما ينزلقان على بعض بسهولة). أما المطاط على الإسفلت فلهما معامل احتكاك عالي جدا ( لا ينزلقان على بعض)، انظر الجدول. µس السطح 2 السطح 1 0.06 جليد خشب 0.02 - 0.1 ثلج نحاس أصفر 0.07 معدن ( مشحم ) معدن 0.25 خشب بلوط خشب بلوط 0.5 - 0.9 خرسانة ( مبللة ) مطاط 0.7 - 1 خرسانة جافة مطاط معامل الاحتكاك الساكن لبعض المواد

يعتبر معامل الاحتكاك كمية تجريبية، أي انه يجب قياسه عن طريق التجربة ولا يمكن حسابه بالمعادلات الرياضية. كما إذا معظم المواد الجافة مع بعضها تعطي معامل احتكاك بين 0.3 و0.6. ومن الصعب الحصول على قيمة خارج هذا المجال. إذا قيمة 0 لمعامل الاحتكاك تعني انه لا يوجد احتكاك بالمرة وسينزلق الجسمان على بعضهما إلى ما لا نهاية. وقد يكون معامل الاحتكاك الساكن اكبر من الحركي لأن النتوءات والفجوات الموجودة بين أسطح الأجسام المتلاصقة تتداخلان في بعضهما فتسببان مقاومة السطحين للانزلاق . ولكن إذا بدأ الجسم في الانزلاق فلن يتوفر الوقت اللازم للسطحين لكي يتلاحما تماماً جميع مع الآخر.

نواتج الاحتكاك

حسب قانون حفظ الطاقة، يجب حتى لا تفقد أي طاقة في عملية الاحتكاك. الطاقة الحركية المفقودة ظاهريا تتحول إلى حرارة و/أوحركة الجسم الآخر. فمثلا الطائرة عند طيرانها فإنها تزيد من حرارة الهواء وتحركه معها. في بعض الأحيان هذا الجسم الآخر قد يحدث الأرض، عندما تتوقف كرة متحركة على أرض الملعب بسبب الاحتكاك فإنها تزيد من حرارة الأرض وتحركها في نفس الاتجاه الذي كانت تتحرك فيه(إلا إذا هذه الكميات ضئيلة جدا بالنسبة لحجم الأرض وسرعتها).

أنواع الاحتكاك

• الاحتكاك الساكن:

يحدث الاحتكاك الساكن عندماقد يكون الجسمان غير متحركان بالنسبة إلى بعضهما البعض (مثل الطاولة على الأرض). معامل الاحتكاك الساكن يرمز له بالرمز (µس). القوة الابتدائية اللازمة لتحريك هذا الجسم تكون عادة اكبر بقليل من قوة الاحتكاك الساكن.

• الاحتكاك الحركي:

يحدث الاحتكاك الحركي عندما يتحرك الجسمين بالنسبة إلى بعضهما البعض ويحتك احدهما بالآخر(مثل مز لجة على الأرض). معامل الاحتكاك الحركي يرمز له بالرمز (µح). وقد يكون عادة اقل من معامل الاحتكاك الساكن.

أمثلة على الاحتكاك الحركي:

• الاحتكاك الإنزلاقي: يحدث عندما يحتك جسمين صلبين ببعضهما البعض (مثل تحريك كتاب على الطاولة).
• الاحتكاك المائع (احتكاك الموائع): يحدث عندما يتحرك جسم صلب خلال مادة سائلة أوغازية (مثل مقاومة الهواء لحركة الطائرة، أومقاومة الماء لحركة الغطاس).
• الاحتكاك الدحروجي: يحدث عندما يتحرك الجسمين بالنسبة إلى بعضهما البعض. لكن "يتدحرج" احد الجسمين على الآخر (مثل عجلات السيارة على الأرض).

الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك: عندما يتحرك جسم على سطح بمعامل احتكاك حركي(µح) وقوة عمودية(قع) تكون كمية الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك U تساوي: U = µح X قع X ف حيث ف هي المسافة المقطوعة بواسطة الجسم. هذه المعادلة مماثلة للمعادلة (الطاقة المفقودة=القوةXالمسافة) وهذا لأن الاحتكاك كمية غير متجهة. مع ملاحظة إذا هذه المعادلة تنطبق على الاحتكاك الإنزلاقي فقط وليس الدحروجي.

فوائد الاحتكاك

كثيرا ما ننظر إلى قوة الاحتكاك على أنها قوة مبددة ، ومعيقة لحركة الأجسام ،وعندما نحسب الشغل المبذول ضد الاحتكاك نعتبره شغلا ضائعا ونحاول في الكثير من التصاميم الميكانيكية تقليل قوى الاحتكاك إلى أقل قدر ممكن بغية تحقيق أداء أفضل للآلات والماكينات ولكن.. هل الاحتكاك ضار إلى هذا الحد،يا ترى؟ وما الذي سيحدث لوحتى الاحتكاك في لحظة ما قد اختفى من العالم، أي أصبح صفرا؟

إذا اختفى الاحتكاك فلا بد إذا السيارات والقطارات وجميع وسائل المواصلات لن تستطيع حتى تتحرك لأنها تتحرك بواسطة الاحتكاك بين الأرض والعجلات. وحتى لوتحركت فإنها لن تستطيع حتى تتوقف، لأن الفرامل تعتمد أساسا على الاحتكاك.كما لن يستطيع الناس السير أوحتى الوقوف وقفة سليمة، وكأنهم واقفون على أرضية جليدية. ولن يستطيعوا حتى يمسكوا بأي شيء لأنه سينزلق من أيديهم. كما ستتفتت الجبال ولن يبقى عليها أي غطاء من التربة .ولن تظل أي بناية سليمة بل ستتهدم. وستفك الحبال المربوطة. جميع هذا بسبب الانزلاق وانعدام الاحتكاك. باختصار، الحياة محالة بدون احتكاك.

فللاحتكاك فوائد مهمة؛ فهويجعل عجلات السيارة تتحرك على الرصيف، ويجعل عجلات القاطرة تمسك بقضبان السكك الحديدية. وهويسمح للسير الناقل بأن يدير البكرة دون انزلاق. وأنت لا تستطيع السير دون الاحتكاك لتمنع حذاءك من التزحلق على الرصيف. ولهذا فمن الصعب السير على الجليد؛ حيث إذا السطح الأملس يسبب احتكاكاً أقل من الرصيف، وبذلك يسمح للحذاء بالانزلاق. ويثبت التربة على سطح الجبال ويثبت البنايات ويجعلها قائمة. ويجعل الحبال المربوطة تظل ثابتة. بالإضافة إلى العشرات إذا لم يكن المئات من الفوائد الأخرى.

مساوئ الاحتكاك

على الرغم من أهمية الاحتكاك واستحالة الحياة بدونه كما رأينا، إلا إذا له مساوئ عديدة قد تؤدي إلى أضرار كبيرة على المدى البعيد. الشغل المبذول بواسطة الاحتكاك يتم تحويله إلى تشوه وحرارة. ففي الآلات، يجعل الاحتكاك جزءا كبيرا من الطاقة المبذولة يمضى سدى. ويحولها إلى حرارة تتطلب المزيد من التبريد. وأحيانا يؤدي الاحتكاك إلى ذوبان بعض الأجسام كما يؤدي إلى التشوه، والتشوه في الأجسام صفة متلازمة مع الاحتكاك. مع انه قد يحدث مفيدا في بعض الحالات (مثل صقل الأجسام). إلا انه عادةقد يكون مشكلة، لأن الأجسام تبلى وتفقد قدرتها على التحمل، وقد تتعطل بعض الآلات. وعلى المدى الطويل يمكن حتى تؤثر على خصائص السطوح وقد تؤثر على معامل الاحتكاك نفسه، وتستطيع حتى ترى هذا بنفسك في إطارات السيارات القديمة، حيثقد يكون سطحها أملس تماما. هذه هي مساوئ الاحتكاك في الحياة العملية. وقد كان وما زال للاحتكاك اثر سلبي في تطور الفهم، فقد تأخر استنتاج قوانين الحركة لسنوات عديدة بسبب الاحتكاك. ولأن الحرارة والحركة المتولدة عن الاحتكاك تتبدد بسرعة، فقد استنتج الكثير من الفلاسفة القدماء (ومنهم أرسطو) إذا الأجسام المتحركة تفقد من طاقتها بدون وجود قوة معاكسة لها. وهذه النظرية الخاطئة لم تكن لتصاغ لولا الاحتكاك.

طرق تقليل الاحتكاك[1]

• الأجهزة:

مثل العجلات أوالأنابيب الدوارة المستخدمة في المطارات لنقل الحقائب من مكان إلى آخر. والتي تحول الاحتكاك الإنزلاقي إلى احتكاك دحروجي. والذي يقلل من الاحتكاك.

• التقنيات:

إحدى التقنيات التي يستعملها مهندسوالقطارات هي جعل الروابط بين مقطورات القطار رخوة. وهكذا يستطيع القطار حتى يسحب جميع مقطورة على حدة بدلا من سحبها جميعا. وهذا يقلل الاحتكاك الكلي ويجعله موزعا على الزمن.

• المزلـِّـقات أوسوائل التزليق:

من أبرز الوسائل المستخدمة لتقليل الاحتكاك هي استخدام المزلقات، مثل الزيوت والشحوم. فالزيت يقلل الاحتكاك. فمعامل الاحتكاك لحديد متدحْرج على خشب مزيت على سبيل المثال يصبح أقل كثيرا من 0,018، لأن نوع السطح ليس له أثر تقريباً عندماقد يكون مغطى بالزيت أوبسوائل أخرى، وحينئذ يعتمد الاحتكاك على لزوجة السائل والسرعة النسبية بين الأسطح المتحركة. مع ان معظم المزلقات تكون سائلة، إلا إذا بعضها صلب مثل التلك والجرافيت.

والمزلقات السائلة تكون ذات " لزوجة" قليلة توضع بين سطحين لتقليل معامل الاحتكاك بدرجة كبيرة. والسوائل اللطيفة أقل لزوجة من السوائل الغليظة، وأسرع تدفقًا. فاللزوجة خصيصة من خصائص الموائع تجعلها تقاوم التدفق. وهي تحدث نتيجة للاحتكاك الداخلي لجزيئات السائل التي يتحرك بعضها قبالة بعض. فالمائع ذواللزوجة المنخفضة (صابون مثلا)، يتدفق بسرعة أكبر من المائع ذي اللزوجة العالية (صمغ مثلا).

ولجميع الموائع، بما في ذلك السوائل، والغازات، درجة معينة من اللزوجة. وبعض المواد التي تبدوصلبة، مواد ذات لزوجة عالية وتتدفق ببطء شديد ومثال ذلك القار. ودرجة اللزوجة مهمة جداً في الكثير من الاستعمالات. عملى سبيل المثال، تحدد لزوجة زيت المحرك كفاءته في تشحيم أجزاء محرك السيارة. وحدثا كان تداخل جزيئات السائل أكثر قوة، كان للسائل لزوجة أكبر. وعموماً، حدثا كان حجم أوطول الجزيء أكبر، كان التداخل أقوى. وتحدد درجة حرارة المائع قوة تداخل جزيئاته، حيث تتداخل الجزيئات في المائع أكثر حدثا تقلصت درجة الحرارة. إلى غير ذلك، فإن الموائع الساخنة تكون ذات لزوجة أقل من لزوجة الموائع الباردة. ولكن جزيئات الغاز تتداخل بقوة أكثر في درجة حرارة عالية. لذلك فإن لها لزوجة أكبر من لزوجة الغازات الباردة. وإحدى طرق زيادة لزوجة سائل هي إذابة البوليمرات (سلاسل جزيئية طويلة) فيه. وتصبح هذه الجزيئات متشابكة فتقاوم التدفق. كذلك، فإن إضافة جسيمات صلبة للمائع يزيد أيضًا من درجة اللزوجة[2].

الالتحام البارد(Cold weld)

مع انه حدثا زادت الخشونة زاد الاحتكاك. لكن إذا وضع سطحين ناعمين جدا (قريبين من النعومة التامة) من المعدن مع بعض وأزيلت الشوائب بينهما تماما بواسطة الفراغ ، فانهما سيلتصقان مع بعض ويصبح من الصعب فصلهما وهوما يسمى بــ"الالتحام البارد". هذا يعني انه عندما يصل الجسم إلى فترة قريبة من النعومة التامة. يصبح الاحتكاك معتمدا على طبيعة القوى الجزيئية في مساحة الالتحام. لذا فإن الأجسام المتنوعة التي لها نفس درجة النعومة قد يحدث لها معاملات احتكاك مختلفة جدا.

المصادر

1. ترجمة النسخة الإنجليزية بتصرف
2. مقتبس عن احد مواضيع شبكة العز الثقافية
3. الاحتكاك