إبطاء حركة الجسم المتحرك
تُعرّف قوة الاحتكاك (بالإنجليزية: Frictional Force) بأنها القوة التي تعيق وتحد من حركة الأجسام. تنشأ هذه القوة نتيجة تلامس أسطح جسمين وتحركهما في اتجاهين متعاكسين. يُعتبر الاحتكاك القوة التي تعارض حركة أحد السطحين عند تواصله مع آخر. يمكن أن تتواجد قوة الاحتكاك بين الأسطح في مجموعة من الحالات المختلفة، بما في ذلك الأسطح الصلبة والسائلة والغازية.
تظهر قوة الاحتكاك في كافة جوانب حياتنا؛ على سبيل المثال، يمكن للسيارة التحرك بسلاسة وثبات على الطريق نتيجة قوة الاحتكاك بين عجلاتها وسطح الطريق الخشن، حيث أن هذه القوة تمنع السيارة من الانزلاق.
عند احتكاك جسم متحرك بسطح معين، تتأثر الحركة بقوة الاحتكاك، والتي تعمل في الاتجاه المعاكس للحركة الأصلية للجسم. هذا يشير إلى أن قوة الاحتكاك تساعد في إبطاء أو إيقاف حركة الجسم؛ مما يؤدي إلى تقليل المسافة التي يمكن للجسم أن يتحركها. وبالفعل، كلما زادت قوة الاحتكاك، زادت قدرتها على إبطاء الأجسام، والعكس صحيح.
على سبيل المثال، من الصعب أن يتوقف الشخص عن الحركة بسهولة داخل بركة ماء، لأن السطح المائي ناعم وزلق، مما ينتج عنه قوة احتكاك منخفضة جداً.
إيقاف الجسم المتحرك عن الحركة
تتكون قوة الاحتكاك بين سطحين سواء كانا متحركين أو ثابتين، وقد تؤثر هذه القوة بعكس اتجاه حركة الجسم، مما يؤدي إلى إيقاف أو إبطاء حركته. اعتماداً على قوتين رئيسيتين، يمكن أن تتبنى الاحتكاك خاصية الإيقاف:
- أن يكون معامل احتكاك السطح مرتفعًا.
- أن تتجاوز قوة الاحتكاك قوة حركة الجسم، مما يؤدي إلى إيقاف الحركة.
على سبيل المثال، الأسطح الناعمة تمتلك معامل احتكاك منخفض، مما يقلل من تأثيرها على الأجسام مقارنةً بالأسطح الخشنة، حيث تملك الأخيرة معامل احتكاك أعلى. فكلما زادت خشونة السطح، زادت قوة الاحتكاك، وقد تؤدي بالتالي لإيقاف حركة الأجسام. يمكن للسيارة التحرك على طريق معتاد، بعكس ما يحدث على طرق مليئة بالنتوءات والصخور.
ممانعة الجسم الساكن للحركة
عندما توجد قوة احتكاك بين سطوح ساكنة، تؤدي إلى تثبيتهما. تعمل قوة الاحتكاك على مواجهة أي قوة خارجية تحاول التسبب في حركة السطحين، مما يحافظ على سلامتهما في حالة سكون حتى تؤثر قوة خارجية أكبر من قوة الاحتكاك وتعمل على تحريكه.
تتراوح قيمة قوة الاحتكاك التي تساهم في تحرك الأجسام من حالة السكون من صفر إلى القيمة الدنيا التي تمنع الحركة؛ وهي القيمة التي تتغلب على قوة الاحتكاك. كلما زادت قوة الاحتكاك، زادت قدرتها على تثبيت الأجسام في مواضعها.
على سبيل المثال: تكون قوة الاحتكاك مرتفعة جداً عندما تكون السيارة مركونة، بينما تكون أقل عند وجود ورقة ساكنة على الطاولة. وهذا يعني أن السيارة تحتاج إلى قوة كبيرة للانطلاق والتغلب على الاحتكاك، في حين تحتاج الورقة إلى قوة أقل بكثير للتحرك.
أثر معامل الاحتكاك على قوة الاحتكاك
يعرّف معامل الاحتكاك (بالإنجليزية: Coefficient of Friction) بأنه نسبة قوة الاحتكاك الناتجة بين الأجسام مقابل القوة الطبيعية المؤثرة عبر السطح الملامس. غالبًا ما يتم حساب معامل الاحتكاك من خلال التجربة، من المهم الإشارة إلى أن قوة الاحتكاك لا تعتمد على سرعة الحركة التي يتحرك بها السطحين. ويتم التعبير عن معامل الاحتكاك بالشكل التالي:
معامل الاحتكاك = قوة الاحتكاك / القوة العمودية
بالصيغ:
م ح = ق ح / ق ض
بالرموز الإنجليزية:
μ = F / N
حيث:
- μ أو م ح: معامل الاحتكاك، والذي يتغير بناءً على طبيعة السطح.
- F أو ق ح: قوة الاحتكاك (Frictional Force)، تقاس بوحدة نيوتن.
- N أو ق ض: القوة العمودية أو الضاغطة (Normal Force)، تقاس أيضاً بوحدة نيوتن.
تعتمد قوة الاحتكاك المؤثرة على حركة جسم ما على معامل قوة الاحتكاك بين السطوح المتلامسة؛ فكلما ارتفع المعامل، زادت قوة الاحتكاك المتواجدة. العلاقة بينهما طردية.
على سبيل المثال، غالباً ما تتمتع الأسطح الناعمة أو الملساء بمعامل احتكاك منخفض، مما يعني أنها تُنتج قوة احتكاك ضئيلة. بينما تميل الأسطح الخشنة لأن تكون لها قوة احتكاك عالية، وقد تمنع الجسم من الحركة تماماً وليس فقط إبطاء حركته.
تطبيقات قوة الاحتكاك
تؤثر قوة الاحتكاك بشكل كبير في حياة الإنسان، ولها فوائد ومضار عديدة. فيما يلي بعض التطبيقات اليومية لقوة الاحتكاك:
- تمكن قوة الاحتكاك الإنسان من المشي بثبات واستقامة، وتمثل هذه واحدة من أكبر فوائدها.
- تساعد على الكتابة على الألواح أو الأوراق.
- تحمي الأرض من اصطدام النيازك، حيث تزيد درجة حرارة النيزك عند تفاعله مع غلاف الأرض، مما يؤدي إلى احتراقه وتقليل حجمه قبل أن يصل إليها.
- تساهم في تثبيت السلم على الحائط والمسمار داخل الحائط.
- تساعد على انتاج حرارة، مما يُساعد في إشعال النار.
- تسهل التقاط الأشياء وتمنع انزلاقها، مثل التقاط كرة السلة أو حمل كأس من الماء.
- تُسهم في طيران الطائرات والطيور والطائرات الورقية.
تعتبر قوة الاحتكاك من أكثر الظواهر الفيزيائية دراسة، لما لها من تأثير كبير في الحياة اليومية. فهي تعمل على ممانعة حركة الأجسام عند ملامستها للأسطح، مما يؤثر بطريقة عكسية على اتجاه الحركة، ويساهم في إيقافها أو إبطائها. لكن من آثارها الإيجابية أنها تمكن من المشي بشكل ثابت وبخط مستقيم، تساعد في إشعال عود الثقاب، وتمكن من الكتابة، والطيران، وغيرها من الفوائد القيمة في حياة الإنسان.