เพิ่มแรงเสียดทาน

เนื้อหา

ที่จะก้าว
วิธีที่ 1 จาก 2: การสร้างพื้นผิวที่หยาบขึ้น
วิธีที่ 2 จาก 2: เพิ่มความต้านทานในของเหลวหรือก๊าซ
คำเตือน

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าทำไมมือของคุณถึงอุ่นเมื่อถูเข้าด้วยกันเร็ว ๆ หรือทำไมคุณถึงจุดไฟได้ด้วยการถูไม้สองแท่งเข้าด้วยกัน? คำตอบคือแรงเสียดทาน! เมื่อพื้นผิวสองด้านถูกันพวกมันจะต่อต้านการเคลื่อนไหวของกันและกันในระดับกล้องจุลทรรศน์ ความต้านทานนี้จะสร้างพลังงานในรูปแบบของความร้อนซึ่งคุณสามารถใช้ในการอุ่นมือก่อไฟ ฯลฯ ยิ่งแรงเสียดทานมากเท่าไหร่พลังงานก็จะถูกปล่อยออกมามากขึ้นเท่านั้นดังนั้นควรรู้วิธีเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างสิ่งที่เคลื่อนไหวสองตัว ชิ้นส่วนในระบบกลไกโดยทั่วไปเปิดโอกาสให้คุณสร้างความร้อนได้มาก!

ที่จะก้าว

วิธีที่ 1 จาก 2: การสร้างพื้นผิวที่หยาบขึ้น

สร้างจุดสัมผัสที่“ หยาบ” หรือเหนียวขึ้น เมื่อวัสดุสองชิ้นเลื่อนหรือถูกันอาจมีสามสิ่งเกิดขึ้น: มุมเล็ก ๆ รอยแตกและความผิดปกติบนพื้นผิวสามารถจับได้ พื้นผิวหนึ่งหรือทั้งสองสามารถทำให้เสียรูปได้เพื่อตอบสนองต่อการเคลื่อนไหว และในที่สุดอะตอมในพื้นผิวใด ๆ ก็สามารถเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กันได้ สำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งสามสิ่งนี้ทำสิ่งเดียวกันคือสร้างแรงเสียดทาน การเลือกพื้นผิวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (เช่นกระดาษทราย) ทำให้เสียรูป (เช่นยาง) หรือไม่มีรสนิยม (เช่นกาว ฯลฯ ) เป็นวิธีที่ง่ายในการเพิ่มแรงเสียดทาน
- ตำราทางเทคนิคและแหล่งข้อมูลที่คล้ายคลึงกันสามารถช่วยในการเลือกวัสดุที่จะใช้เพื่อเพิ่มแรงเสียดทาน วัสดุก่อสร้างมาตรฐานส่วนใหญ่มี "ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน" ที่ทราบกันดีนั่นคือการวัดว่ามีแรงเสียดทานมากน้อยเพียงใดที่เกิดขึ้นพร้อมกับพื้นผิวอื่น ๆ ค่าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทานสำหรับวัสดุที่รู้จักเพียงไม่กี่ชนิดแสดงอยู่ด้านล่าง (ค่าที่สูงกว่าแสดงถึงแรงเสียดทานที่สูงขึ้น):
- อลูมิเนียมบนอะลูมิเนียม: 0.34
- ไม้บนไม้: 0.129
- คอนกรีตแห้งบนยาง: 0.6-0.85
- คอนกรีตเปียกบนยาง: 0.45-0.75
- น้ำแข็งบนน้ำแข็ง: 0.01
ดันพื้นผิวทั้งสองเข้าด้วยกันให้หนักขึ้น คำจำกัดความพื้นฐานทางฟิสิกส์ระบุว่าแรงเสียดทานที่วัตถุได้รับนั้นเป็นสัดส่วนกับแรงปกติ (สำหรับจุดประสงค์ของเราแรงนี้จะเท่ากับแรงที่วัตถุผลักกับอีกวัตถุหนึ่ง) ซึ่งหมายความว่าแรงเสียดทานระหว่างสองพื้นผิวสามารถเพิ่มขึ้นได้หากพื้นผิวถูกดันเข้าด้วยกันด้วยแรงที่มากขึ้น
- หากคุณเคยใช้ดิสก์เบรก (เช่นบนรถยนต์หรือจักรยาน) คุณจะได้เห็นหลักการนี้ในการปฏิบัติจริง ในกรณีนี้โดยการกดเบรกชุดบล็อกที่สร้างแรงเสียดทานจะถูกดันเข้ากับแผ่นโลหะที่ติดกับล้อ ยิ่งคุณกดเบรกหนักเท่าไหร่บล็อกก็จะกดกับดิสก์ได้ยากขึ้นเท่านั้นและจะมีแรงเสียดทานมากขึ้น วิธีนี้ช่วยให้คุณหยุดรถได้อย่างรวดเร็ว แต่ยังปล่อยความร้อนออกมาจำนวนมากซึ่งเป็นสาเหตุที่ระบบเบรกมักจะร้อนมากหลังจากเบรกหนัก
หยุดการเคลื่อนไหวที่สัมพันธ์กัน ซึ่งหมายความว่าหากพื้นผิวหนึ่งเคลื่อนที่โดยสัมพันธ์กับอีกพื้นผิวหนึ่งคุณจะหยุด จนถึงตอนนี้เราได้มุ่งเน้นไปที่ ไดนามิก (หรือ "เลื่อน") แรงเสียดทาน - แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุหรือพื้นผิวสองชิ้นเสียดสีกัน ในความเป็นจริงรูปแบบของแรงเสียดทานนี้แตกต่างจาก คงที่ แรงเสียดทาน - แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ไปชนกับวัตถุอื่น โดยพื้นฐานแล้วแรงเสียดทานระหว่างวัตถุสองชิ้นจะยิ่งใหญ่ที่สุดเมื่อพวกมันเริ่มเคลื่อนที่เข้าหากัน แรงเสียดทานจะลดลง นี่เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้วัตถุหนักเคลื่อนที่ได้ยากกว่าที่จะเก็บไว้
- หากต้องการสังเกตความแตกต่างระหว่างแรงเสียดทานสถิตและแรงเสียดทานแบบไดนามิกให้ลองทำการทดลองง่ายๆดังต่อไปนี้: วางเก้าอี้หรือเฟอร์นิเจอร์ชิ้นอื่น ๆ บนพื้นเรียบในบ้านของคุณ (ไม่ใช่บนพรมหรือพรม) ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเฟอร์นิเจอร์ไม่มี "กระดุม" ป้องกันที่ด้านล่างหรือวัสดุประเภทอื่น ๆ ที่จะทำให้เลื่อนไปบนพื้นได้ง่ายขึ้น ลองเฟอร์นิเจอร์ แค่ ดันแรงพอที่จะเริ่มเคลื่อนไหว คุณควรสังเกตว่าเมื่อเฟอร์นิเจอร์เริ่มเคลื่อนย้ายแล้วการดันจะง่ายขึ้นในทันที เนื่องจากแรงเสียดทานแบบไดนามิกระหว่างเฟอร์นิเจอร์และพื้นมีขนาดเล็กกว่าแรงเสียดทานสถิต
นำของเหลวออกจากระหว่างพื้นผิว ของเหลวเช่นน้ำมันจาระบีปิโตรเลียมเจลลี่ ฯลฯ สามารถลดแรงเสียดทานระหว่างวัตถุและพื้นผิวได้อย่างมาก เนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างของแข็งสองชนิดมักจะสูงกว่าระหว่างของแข็งและของเหลวที่อยู่ระหว่างกันมาก ในการเพิ่มแรงเสียดทานคุณสามารถนำของเหลวทั้งหมดที่เป็นไปได้ออกจากสมการโดยมีเพียงส่วนที่ "แห้ง" เท่านั้นที่ทำให้เกิดแรงเสียดทาน
- ลองใช้การทดลองง่ายๆต่อไปนี้เพื่อให้ทราบว่าของเหลวสามารถลดแรงเสียดทานได้มากแค่ไหน: ถูมือเข้าหากันถ้ามันเย็นและคุณต้องการอุ่นเครื่อง คุณควรสังเกตได้ทันทีว่าพวกมันอุ่นขึ้นจากการถู จากนั้นทาโลชั่นในปริมาณที่พอเหมาะบนฝ่ามือแล้วลองทำเช่นเดียวกันอีกครั้ง ไม่เพียง แต่จะง่ายกว่าที่จะถูมือเข้าหากันอย่างรวดเร็ว แต่คุณจะสังเกตได้ด้วยว่าพวกเขาร้อนน้อยลงด้วย
ถอดล้อหรือตัวยึดเพื่อสร้างแรงเสียดทานในการเลื่อน ล้อรถบรรทุกและวัตถุ "กลิ้ง" อื่น ๆ สัมผัสกับแรงเสียดทานชนิดพิเศษที่เรียกว่าแรงเสียดทานขณะกลิ้ง แรงเสียดทานนี้มักจะน้อยกว่าแรงเสียดทานที่เกิดจากการเลื่อนวัตถุเดียวกันไปบนพื้น - นี่คือสาเหตุที่วัตถุเหล่านี้มักจะกลิ้งและไม่ไถลไปกับพื้น ในการเพิ่มแรงเสียดทานในระบบกลไกคุณสามารถถอดล้อตัวยึดและอื่น ๆ เพื่อให้ชิ้นส่วนเลื่อนเข้าหากันไม่หมุน
- ตัวอย่างเช่นพิจารณาความแตกต่างระหว่างการดึงของที่มีน้ำหนักมากเหนือพื้นในรถม้าเทียบกับน้ำหนักที่เท่ากันในรถม้า เกวียนมีล้อจึงดึงได้ง่ายกว่ารถม้าซึ่งลากไปตามพื้นในขณะที่สร้างแรงเสียดทานในการเลื่อนมาก
เพิ่มความหนืด วัตถุที่เป็นของแข็งไม่ใช่สิ่งเดียวที่สามารถสร้างแรงเสียดทานได้ สารเหลว (ของเหลวและก๊าซเช่นน้ำและอากาศตามลำดับ) สามารถสร้างแรงเสียดทานได้เช่นกัน ปริมาณแรงเสียดทานที่ของเหลวสร้างขึ้นเมื่อไหลผ่านของแข็งขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ วิธีที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งในการควบคุมคือความหนืดนั่นคือสิ่งที่มักเรียกกันว่า "ความหนา" โดยทั่วไปของเหลวที่มีความหนืดสูง (ซึ่งมีลักษณะ "ข้น" "เหนียว" ฯลฯ ) จะทำให้เกิดแรงเสียดทานมากกว่าของเหลวที่มีความหนืดน้อย (ซึ่ง ได้แก่ "เรียบ" และ "ของเหลว")
- ตัวอย่างเช่นพิจารณาความแตกต่างของความพยายามที่คุณจะต้องทำเมื่อเป่าน้ำผ่านฟางเทียบกับการเป่าน้ำผึ้งผ่านฟาง น้ำไม่หนืดมากและจะเคลื่อนผ่านฟางได้ง่าย น้ำผึ้งจะพัดผ่านฟางได้ยากกว่ามาก เนื่องจากความหนืดสูงของน้ำผึ้งทำให้เกิดความต้านทานได้มากและทำให้เกิดแรงเสียดทานเมื่อเป่าผ่านท่อแคบ ๆ เช่นฟาง

วิธีที่ 2 จาก 2: เพิ่มความต้านทานในของเหลวหรือก๊าซ

เพิ่มความหนืดของของเหลว สื่อที่วัตถุเคลื่อนที่ผ่านแรงกระทำต่อวัตถุซึ่งโดยรวมจะพยายามยกเลิกแรงเสียดทานที่มีต่อวัตถุ ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากขึ้น (และมีความหนืดมากขึ้น) วัตถุจะเคลื่อนที่ผ่านของเหลวนั้นได้ช้าลงภายใต้อิทธิพลของแรงที่กำหนด ตัวอย่างเช่นหินอ่อนจะตกลงไปในอากาศเร็วกว่าน้ำมากและผ่านน้ำได้เร็วกว่าน้ำเชื่อม
- ความหนืดของของเหลวส่วนใหญ่สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่นหินอ่อนไหลผ่านน้ำเชื่อมเย็นช้ากว่าการใช้น้ำเชื่อมที่อุณหภูมิห้อง
เพิ่มพื้นที่สัมผัสกับอากาศ ตามที่ระบุไว้ข้างต้นสารเหลวเช่นน้ำและอากาศสามารถสร้างแรงเสียดทานเมื่อไหลผ่านของแข็ง แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นกับวัตถุขณะเคลื่อนที่ผ่านสารเหลวเรียกว่าความต้านทาน (ขึ้นอยู่กับตัวกลางซึ่งเรียกอีกอย่างว่า "ความต้านทานอากาศ" "ความต้านทานต่อน้ำ" ฯลฯ ) คุณสมบัติอย่างหนึ่งของความต้านทานก็คือวัตถุ ด้วยหน้าตัดที่ใหญ่กว่านั่นคือวัตถุที่มีโปรไฟล์มากขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านของไหลจะได้รับความต้านทานมากขึ้น สิ่งนี้ทำให้ของเหลวมีแรงกดบนพื้นผิวมากขึ้นซึ่งจะเพิ่มแรงเสียดทานให้กับวัตถุเมื่อมันเคลื่อนผ่าน
- สมมติว่าก้อนกรวดและกระดาษแต่ละแผ่นมีน้ำหนัก 1 กรัม หากเราปล่อยให้ทั้งสองตกลงไปพร้อมกันก้อนกรวดจะตกลงมาตรงๆในขณะที่แผ่นกระดาษจะค่อยๆหมุนลง นี่คือจุดที่คุณเห็นแรงต้านอากาศในการทำงาน - อากาศจะดันกับพื้นผิวขนาดใหญ่และกว้างของกระดาษทำให้เกิดแรงต้านและกระดาษจะตกลงมาช้ากว่าก้อนกรวดซึ่งมีหน้าตัดค่อนข้างแคบ
เลือกรูปทรงที่มีความต้านทานมากขึ้น แม้ว่าภาพตัดขวางของวัตถุจะเป็นสิ่งที่ดี ทั่วไป เป็นตัวบ่งชี้ขนาดของตัวต้านทานในความเป็นจริงการคำนวณตัวต้านทานมีความซับซ้อนกว่านี้มาก รูปร่างที่แตกต่างกันจะทำงานในลักษณะที่แตกต่างกันในของเหลวที่ไหลผ่านซึ่งหมายความว่ารูปร่างบางอย่าง (เช่นแผ่นเรียบ) มีความทนทานมากกว่ารูปทรงอื่น ๆ (เช่นทรงกลม) ที่ทำจากวัสดุชนิดเดียวกัน เนื่องจากการวัดขนาดสัมพัทธ์ของความต้านทานอากาศเรียกอีกอย่างว่า "ค่าสัมประสิทธิ์การลาก" จึงมีการกล่าวว่ารูปทรงที่มีแรงต้านอากาศมากจะมีค่าสัมประสิทธิ์การลากที่สูงกว่า
- ตัวอย่างเช่นลองพิจารณาปีกของเครื่องบิน รูปร่างของปีกเครื่องบินโดยทั่วไปเรียกว่า a airfoil. รูปทรงเรียบแคบและโค้งมนนี้เคลื่อนที่ผ่านอากาศได้อย่างง่ายดาย ค่าสัมประสิทธิ์การลากต่ำมาก - 0.45 ในทางกลับกันคุณสามารถจินตนาการได้ว่าปีกมีมุมแหลมเป็นรูปทรงบล็อกหรือดูเหมือนปริซึม ปีกเหล่านี้สร้างแรงเสียดทานได้มากขึ้นเนื่องจากสร้างแรงต้านในการบินได้มาก ดังนั้นปริซึมจึงมีค่าสัมประสิทธิ์การลากมากกว่าปีก - ประมาณ 1.14
ทำให้วัตถุคล่องตัวน้อยลง อีกปรากฏการณ์หนึ่งที่เกี่ยวข้องกับค่าสัมประสิทธิ์การลากที่แตกต่างกันของรูปทรงต่างๆก็คือโดยทั่วไปแล้ววัตถุที่มี "แฟริ่ง" ที่มีขนาดใหญ่และมีขนาดใหญ่กว่าจะสร้างแรงลากได้มากกว่าวัตถุอื่น ๆ วัตถุเหล่านี้ประกอบด้วยเส้นตรงหยาบและมักจะไม่แคบไปทางด้านหลัง ในทางกลับกันวัตถุที่มีความคล่องตัวมักจะโค้งมนและเรียวไปทางด้านหลังมากขึ้นเช่นเดียวกับร่างกายของปลา
- ตัวอย่างเช่นวิธีการออกแบบรถครอบครัวโดยเฉลี่ยในปัจจุบันเมื่อเทียบกับรถประเภทเดียวกันเมื่อหลายสิบปีก่อน ในอดีตรถยนต์มีลักษณะเป็นบล็อกมากกว่าและมีเส้นตรงและสี่เหลี่ยมมากกว่ามาก ทุกวันนี้รถครอบครัวส่วนใหญ่มีความคล่องตัวมากขึ้นและมีความโค้งมนอย่างนุ่มนวลในระดับใหญ่ สิ่งนี้ทำได้ตามวัตถุประสงค์ - รูปทรงที่คล่องตัวหมายความว่ารถมีประสบการณ์ในการลากน้อยลงลดความพยายามของเครื่องยนต์ในการเคลื่อนรถ (และลดระยะการใช้ก๊าซ)
ใช้วัสดุที่ช่วยให้อากาศผ่านได้น้อยลง วัสดุบางชนิดยอมให้ของเหลวและก๊าซผ่านได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือมีรูให้ของเหลวผ่านได้ สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวของวัตถุที่ของเหลวผลักดันจะมีขนาดเล็กลงดังนั้นจึงมีความต้านทานน้อยลงคุณสมบัตินี้ยังคงใช้ได้แม้ว่ารูจะมีขนาดเล็กก็ตาม - ตราบใดที่รูมีขนาดใหญ่พอที่จะให้ของเหลว / อากาศผ่านได้ความต้านทานจะลดลง นี่คือเหตุผลที่ร่มชูชีพออกแบบมาเพื่อสร้างแรงต้านอากาศจำนวนมากและลดความเร็วในการล้มของใครบางคนหรือบางสิ่งบางอย่างทำจากผ้าไหมหรือไนลอนที่มีน้ำหนักเบาและไม่ใช่ผ้ากรองฝ้ายหรือกาแฟ
- ในการยกตัวอย่างคุณสมบัตินี้ให้ลองนึกถึงสิ่งที่เกิดขึ้นกับไม้ปิงปองเมื่อคุณเจาะรูไม่กี่รู จากนั้นจะง่ายกว่ามากในการเคลื่อนย้ายไม้พายอย่างรวดเร็ว รูช่วยให้อากาศไหลผ่านได้ในขณะที่แกว่งไม้พายซึ่งจะช่วยลดแรงต้านได้มากและช่วยให้ไม้พายเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น
เพิ่มความเร็วของวัตถุ สุดท้ายไม่ว่าวัตถุจะมีรูปร่างหรือวัสดุที่ซึมผ่านได้เพียงใดความต้านทานที่พบจะเพิ่มขึ้นเสมอเมื่อเคลื่อนที่เร็วขึ้น ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เร็วเท่าใดของเหลวก็จะต้องเคลื่อนที่มากขึ้นซึ่งจะเพิ่มความต้านทาน วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากอาจมีแรงเสียดทานสูงมากเนื่องจากมีความต้านทานสูงดังนั้นโดยปกติวัตถุเหล่านี้จะคล่องตัวที่นั่นไม่เช่นนั้นวัตถุเหล่านี้จะหลุดออกจากกันเนื่องจากแรงต้าน
- ลองพิจารณา Lockheed SR-71 "Blackbird" ซึ่งเป็นเครื่องบินสอดแนมทดลองที่สร้างขึ้นในช่วงสงครามเย็น แบล็กเบิร์ดซึ่งบินได้ด้วยความเร็วสูงกว่ามัค 3.2 เผชิญกับแรงต้านที่รุนแรงจากความเร็วสูงเหล่านั้นแม้จะมีการออกแบบที่คล่องตัว - มากพอที่จะทำให้ลำตัวโลหะของเครื่องบินขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานจากอากาศในระหว่างการบิน .

คำเตือน

แรงเสียดทานที่สูงมากสามารถปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมาในรูปของความร้อน! ตัวอย่างเช่นคุณไม่ต้องการสัมผัสผ้าเบรกของรถทันทีหลังจากที่คุณเหยียบเบรกอย่างแรง!
กองกำลังขนาดใหญ่ที่ปล่อยออกมาเมื่อลากผ่านของไหลอาจทำให้เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างของวัตถุนั้น ตัวอย่างเช่นหากคุณติดด้านแบนของไม้อัดบาง ๆ ลงในน้ำขณะล่องเรือสปีดโบ๊ทโอกาสที่มันจะขาดเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย