مقاله فارسی اصطكاك

اصطكاك:
نيروهاي اصطكاكي كه تا كنون از آنها چشم پوشيديم ، نقش مهمي در محيط ما بازي مي كنند و برايمان مثالهاي جالب زيادي از حركت با نيروهاي ثابت تدارك مي بينند. فرض كنيد جعبه اي فولادي به شكل آجر بر رويه ي فولادي يك ميز مي لغزد.اگر جعبه داراي سرعت اوليه اي باشد اصطكاك به تدريج سرعتش را كم مي كند تا نهايتاَ آن را مي استاند. اگر سطحهاي فوالادي تميز و روغنكاري نشده باشند جعبه با آهنگي در حدودm/s2 6 يا G 6/0 كند مي شود.
وزن W با مقدار mg به سوي پايين عمل ميكند. نيروي عمودي N كه به وسيله ميز به جعبه وارد مي شود به سوي بالا عمل مي كند. اين نيروي عمودي يك نيروي تماسي است كه بار خنه جعبه در ميز مقابله مي كند. مقدار نيروي عمودي بايد mg باشد به طوري كه اثر نيروي وزن را دقيقاَ خنثي كند.
نيروي اصطكاكي Fk افقي، موازي رويه ميز و در راستايي مخالف حركت است. اين نيرو درست مثل نيروي عمود يك نيروي تماسي است كه روي تمامي سطح پاييني جعبه كنش دارد.
نيروي اصطكاكي از چسبندگي بين دو قطعه فلز ناشي مي شود. اتمهاي جعبه با اتمهاي رويه ميز تشكيل پيوند مي دهند.
پيوند بين اتمهاي يك فلز مي توانند چنان قوي باشند كه گاهي تكه هاي كوچكي از فولاد از سطح خود كنده مي شوند و به سطح مقابل مي چسبند.
اما چسبندگي به طور يكنواختي در تمامي سطح پاييني جعبه رخ نميدهد.
در يك مقياس ميكروسكپي سطح به ظاهر صاف يك فلز صيقل شده داراي مقدار زيادي برآمدگيهاي نا منظم است.
هنگامي كه دو سطح از اين گونه روي هم قرار مي گيرند سطح ميكروسكپي تماس بسيار كوچكتر از سطح ماكروسكپي ظاهر است. تقريباَ به اين مي ماند كه سوييس را وارونه كنيم و روي اتريش بگذاريم.-فقط قله هاي كوهها در تماس خواهند بود. بدين ترتيب براي دو سطح فلزي تماس نزديك فقط در نقاط منفرد نوك برآمدگيها رخ مي دهد- و فقط در اين نقاط اتمهاي يك سطح به اتمهاي ديگري مي چسبند. سطحها به طور لحظه اي داراي ‹ نقطه جوشهايي› با هم هستند. سپس جوشها شكسته مي شوند و جوشهاي جديد تشكيل مي شوند و به همين ترتيب:
اگر چه پديده اصطكاك در سطح ميكروسكپي بسيار پيچيده است در سطح ماكروسكپي اغلب نيروهاي اصطكاك حاصل را مي توان به وسيله يك قانون تجربي ساده كه براي نخستين بار لئوناردو داوينچي آنرا بيان كرد توصيف نمود:
مقدار نيروي اصطكاك در بين سطح هاي خشك و روغنكاري نا شده كه يكي روي ديگري مي لغزند با نيروي عمود كه سطحها را به هم مي فشارد متناسب است و از سطح(ماكروسكپي) تماس و تندي نسبي آنها مستقل است.
اصطكاك سطحهايي كه نسبت به يكديگر در حركت نسبي اند اصطكاك جنبشي يا اصطكاك لغزشي ناميده مي شود بنا بر قانون بالا نيروي اصطكاك جنبشي را به زبان رياضي مي توان چنين نوشت:
اصطكاك جنبشي 17:
كه در آن ضريب اصطكاك جنبشي است ثابتي كه ويژه ماده اي است كه اصطكاك آن مورد نظر است.
توجه كنيد كه معادله17 بيان مي كند كه مقادير نيروهاي و متناسبند اما راستاههاي اين نيروها بسيار متفاوتند:
عمود به سطح تماس است و موازي سطح. در راستايي مخالف حركت.
‹قانون› سادة بالا براي اصطكاك فاقد اعتبار عام مثلاَ قانون نيوتن است. اين قانون فقط به طور تقريبي معتبر است و پديدار شناختي است. يعني صرفاَ يك چكيده توصيفي از مشاهدات تربي است كه متكيبر درك نظري خرده نگرانه از مكانيزمي كه اصطكاك را پديد مي آورد نيست. انحراف از اين قانون ساده در تنديهاي بي اندازه زياد و نيز تنديهاي بي اندازه كم رخ مي دهد. در حالت نخست اصطكاك تمايل به كمتر شدن و در حالت دوم به بيشتر شدن دارد. اما ما در بسياري از مسائل روزمره مهندسي كه در آنها تنديها در حالات حدي بالا و پايين نيستند. مي توانيم از اين انحرافها چشم بپوشيم س اين قانون ساده تقريب كاملاَ خوبي برايپهنه وسيعي از مواد و بهتر از همه براي فلزات است.
اين واقعيت كه نيروي اصطكاك مستقل از سطح (ماكروسكپي) تماس است بدين معني است كه نيروي اصطكاك جعبه اي كه روي ميزي با رويه فولادي مي لغزد،چه روي سطح بزرگش بلغزد چه روي يكي از سطوح كوچكش يكيست.
در آغاز ممكنست عجيب به نظرآيد از آنجا كه اصطكاك از چسبندگي ناشي مي شود، بايد انتظار داشته باشيم كه نيروي اصطكاك هنگامي كه جعبه روي سطح بزرگش مي لغزد بيشتر باشد. چرا كه سطح تماس بزرگتر ماكروسكپي نيست.بلكه تماس ماكروسكپي است و سطح اخير نسبتاَ به خوبي وابسته به اين نيست كه جعبه روي سطح بزرگ خود بماند يا كوچك.
فولاد جعبه با فولاد ميز فقط در قله برآمدگيهاي نا منظمي كه از سطح بيرون زده اند تماس برقرار مي كند. نيروي عمود برآمدگيها تا حدي تغيير شكل پيدا كنند بطوري كه اتصالشان به يكديگر تنگتر مي شود.
هنگامي كه اجر روي سطح بزرگش تعداد برآمدگيهاي در تماس بيشتر از وقتي است كه روي سطح كوچكش بماند ولي از آنجا كه نيروي عمود ميان تعداد زيادي از چنين برآمديگهيي توزيع شده است تغيير شكل هر يك كمتر از هنگامي است كه اگر آجر روي سطح كوچك بماند.
در حالت ديگر تعداد برآمدگيهاي در تماس وجود دارد كه هر يك درگير سطح كوچكي است و در حالت ديگر تعداد برآمدگيهاي در تماس تا حدي كمتر است ولي هر يك درگير سطحي هستند كه تا حدي بزرگتر است. نتيجه خالص اينست كه در هر دو حالت جمع همه اين سطوح تماس ميكروسكپي و در نتيجه نيروي اصطكاك يكيست.
اگر چه نا وابستگي اصطكاك به سطح(ماكروسكپي) تماس يك تقريب عالي براي فلزات است ولي برخي از مواد ديگر مثل پلاستيك و لاستيك كاملاً صدق نمي كند. ضريب اصطكاك نيروهاي اصطكاكي بين دو سطح در حال سكون نيز عمل مي كنند. اگر يك نيرو به يكي از سطوح جانبي مانند يك
جعبه فولادي كه روي يك ميز فولادي قرار دارد و در آغاز در حال سكون است وارد شود جعبه حركت نخواهد كرد مگر آنكه مقدار نيرو براي غلبه بر اصطكاك كه ان را در جايش نگه مي دارد كافي باشد.
مثلاً براي آنكه يك جعبه يك كيلوگرمي فولادي كه روي فولاد قرار دارد شروع به حركت كند يك رانش جانبي در حدود7 نيوتن بايد بكار برده شود.
اصطكاك بين سطوح در حالت سكون اصطكاك ايستايي ناميده مي شود. مقدار بيشينه نيروي اصطكاك ايستايي يعني مقداري را كه اين نيرو هنگامي كه رانش جانبي درست در حدود لازم براي شروع حركت است. داراست مي توان با يك قانون تجربي درست شبيه نيروي اصطكاك جنبشي توصيف كرد:
مقدار بيشينه نيروي اصطكاك بين سطوح روغنكاري ناشده خشك و در حال سكون نسبت به يكديگر متناسب با نيروي عمود است و از سطح(ماكروسكپي) تماس مستقل است.
به زبان رياضي:
كه ضريب اصطكاك ايستايي است كه بستگي به نوع ماده دارد. راستاي موازي سطح است تا با رانش جانبي كه سعي دارد جسم را به حركت در آورد مخالفت كند.
نيروي معادله(19) داراي زيرنگاشت است چرا كه نشانگر بيشترين اصطكاك ايستايي است كه سطح مي تواند بدون اين كه شروع به سريدن كند تحمل كند يعني
نيروي اصطكاك در لحظه جديش است. هنگامي كه رانش جانبي درست در حدود لازم براي شروع حركت است.
البته اگر رانش جانبي كمتر از اين مقدار حدي باشد آنگاه نيروي اصطكاك نيز كمتر از است و دقيقاً با مقدار رانش جانبي مقابله كند. بدين ترتيب به طور عمودي
اصطكاك ايستايي(20)
براي بيشتر مواد است يعني بيشينه نيروي اصطكاك ايستايي بيشتر از نيروي اصطكاك جنبشي است. اين بران معني است كه اگر رانش جانبي اعمال شده روي جعبه به اندازه كافي بزرگ باشد كه بر اصطكاك ايستايي فائق شود و آن را به حركت در آورد. بيشتر از مقداري خواهد بود كه براي غلبه بر نيروي اصطكاك جنبشي بعدي لازمست و بنابراين به طور پيوسته به جعبه شتاب مي دهد.
بزرگتر بودن مقدار نيروي اصطكاك ايستايي ناشي از عوامل متعددي است كه چسبندگي بين سطوح ساكن را فزايش مي دهند. ادامه تماس بين دو سطح يك تغيير شكل مومسان(پلاستيك)تدريجي(خزش) در برجستگيهاي سطوح ايجاد مي كند كه باعث مي شود سطوح بيشتر به هم جفت شوند و تماس نزديكتري داشته باشند. افزون بر اين از يك سطح به سطح ديگري كوچ مي كنند و سطوح عملاً به داخل يكديگر پيش مي روند.
بالاخره لايه هاي آلودگي كه سطوح را پوشانده اند در اثر فشار مماسي مداوم مانند فشار جانبي سطحها پيش از «جدايش» شكافته مي شوند. و شكافهاي اين لايه ها چسبندگي قويتري بين قسمتهاي بدون پوشش مواد را امكانپذير مي سازند.
مثال7: ضريب اصطكاك ايستايي لاستيك سخت روي سطح خيابان8/0= است. تندترين شيبي كه خيابان مي تواند داشته باشد تا اتومبيل با چرخهاي لاستيكي(و قفل شده) بتواند بدون اين كه بلغزد روي آن ساكن بماند چيست؟
حل: نمودار «جسم آزاد» در شكل 6-17 داده شده است. فرض شده است كه زاويه داراي مقدار پيشينه اش باشد. يعني نيروي اصطكاك داراي مقدار بيشينه خود باشد.
همه نيروي خالص در امتداد سطح شيب دار چنين است:
اگر اتومبيل ساكن بماند، است و
يا

فایل : 9 صفحه

فرمت : Word