แรงเสียดทานเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่บุคคลต้องดิ้นรนเพื่อลดแรงเสียดทานในส่วนที่หมุนและเลื่อนของกลไก อย่างไรก็ตาม การเคลื่อนไหวของกลไกเหล่านี้เป็นไปไม่ได้ ในบทความนี้ เราจะพิจารณาจากมุมมองของฟิสิกส์ แรงเสียดทานของการหมุนคืออะไร
แรงเสียดทานประเภทใดที่มีอยู่ในธรรมชาติ
ก่อนอื่น พิจารณาว่าแรงเสียดทานจากการกลิ้งเกิดขึ้นที่ใดท่ามกลางแรงเสียดทานอื่นๆ แรงเหล่านี้เกิดจากการสัมผัสของสองร่างที่แตกต่างกัน อาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้ ตัวอย่างเช่น การบินของเครื่องบินในชั้นโทรโพสเฟียร์นั้นมาพร้อมกับการเสียดสีระหว่างร่างกายกับโมเลกุลของอากาศ
เมื่อพิจารณาจากวัตถุที่เป็นของแข็งแล้ว เราคัดแยกแรงเสียดทานของการพัก การเลื่อน และการกลิ้ง เราแต่ละคนสังเกตเห็นว่า: ในการที่จะขยับกล่องบนพื้น จำเป็นต้องใช้แรงบางอย่างตามพื้นผิว ค่าของแรงที่จะนำกล่องออกจากที่พักจะเท่ากับค่าสัมบูรณ์กับแรงเสียดทานที่เหลือ หลังทำหน้าที่ระหว่างด้านล่างของกล่องและพื้นผิวพื้น
อย่างไรเมื่อกล่องเริ่มเคลื่อนไหวแล้ว ต้องใช้แรงคงที่เพื่อให้การเคลื่อนไหวนี้สม่ำเสมอ ความจริงข้อนี้เชื่อมโยงกับข้อเท็จจริงที่ว่าระหว่างหน้าสัมผัสของพื้นกับกล่องนั้น แรงเสียดทานแบบเลื่อนจะกระทำที่ส่วนหลัง ตามกฎแล้ว จะน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิตหลายสิบเปอร์เซ็นต์
หากคุณใส่ถังทรงกลมที่ทำด้วยวัสดุแข็งไว้ใต้กล่อง จะเคลื่อนย้ายได้ง่ายขึ้นมาก แรงเสียดทานจากการกลิ้งจะกระทำต่อกระบอกสูบที่หมุนในกระบวนการเคลื่อนที่ใต้กล่อง โดยปกติแล้วจะมีขนาดเล็กกว่าแรงสองอย่างก่อนหน้านี้มาก นั่นคือเหตุผลที่การประดิษฐ์วงล้อของมนุษยชาติเป็นการก้าวกระโดดครั้งใหญ่สู่ความก้าวหน้า เนื่องจากผู้คนสามารถเคลื่อนย้ายสิ่งของที่มีขนาดใหญ่กว่ามากโดยใช้กำลังเพียงเล็กน้อย
ลักษณะทางกายภาพของแรงเสียดทานกลิ้ง
เหตุใดจึงเกิดการเสียดสี คำถามนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย เพื่อตอบคำถามนี้ ควรพิจารณารายละเอียดว่าเกิดอะไรขึ้นกับล้อและพื้นผิวระหว่างกระบวนการรีด อย่างแรกเลย มันไม่เรียบอย่างสมบูรณ์ - ไม่ว่าพื้นผิวของล้อหรือพื้นผิวที่มันหมุน อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่สาเหตุหลักของการเสียดสี สาเหตุหลักมาจากการเสียรูปของตัวเดียวหรือทั้งสองตัว
วัตถุใดๆ ไม่ว่าจะทำมาจากวัสดุแข็งอะไรก็ตาม มีรูปร่างผิดปกติ ยิ่งน้ำหนักของร่างกายมากเท่าไร แรงกดบนพื้นผิวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าร่างกายจะเสียรูปตรงจุดที่สัมผัสและทำให้พื้นผิวเสียรูป ในบางกรณีการเสียรูปนี้มีขนาดเล็กมากจนไม่เกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น
Bในระหว่างการกลิ้งของล้อ พื้นที่ที่ผิดรูปหลังจากการสิ้นสุดของการสัมผัสกับพื้นผิวจะคืนค่ารูปร่างเดิม อย่างไรก็ตาม การเสียรูปเหล่านี้เกิดขึ้นซ้ำๆ กันด้วยการหมุนวงล้อครั้งใหม่ การเปลี่ยนรูปเป็นวัฏจักรใด ๆ แม้ว่าจะอยู่ในขอบเขตยืดหยุ่นก็ตามจะมาพร้อมกับฮิสเทรีซิส กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในระดับจุลภาค รูปร่างของร่างกายก่อนและหลังการเสียรูปจะแตกต่างกัน ฮิสเทรีซิสของวัฏจักรการเสียรูปในระหว่างการหมุนของล้อทำให้เกิด "การกระจาย" ของพลังงาน ซึ่งแสดงออกในทางปฏิบัติในรูปแบบของแรงเสียดทานกลิ้ง
โรลลิ่งตัวที่สมบูรณ์แบบ
ภายใต้ร่างกายในอุดมคติในกรณีนี้หมายความว่ามันไม่เปลี่ยนรูป ในกรณีของล้อในอุดมคติ พื้นที่สัมผัสกับพื้นผิวจะเป็นศูนย์ (มันสัมผัสกับพื้นผิวตามแนวเส้น)
มาดูลักษณะแรงที่กระทำกับล้อที่ไม่เปลี่ยนรูปกัน ประการแรก นี่คือแรงแนวตั้งสองอัน: น้ำหนักตัว P และแรงปฏิกิริยาสนับสนุน N แรงทั้งสองเคลื่อนผ่านจุดศูนย์กลางมวล (แกนล้อ) ดังนั้นจึงไม่มีส่วนร่วมในการสร้างแรงบิด สำหรับพวกเขา คุณสามารถเขียนว่า:
P=N
ประการที่สอง แรงในแนวราบสองอย่างนี้: แรงภายนอก F ที่ผลักล้อไปข้างหน้า (ผ่านจุดศูนย์กลางมวล) และแรงเสียดทานกลิ้ง fr หลังสร้างแรงบิด M สำหรับพวกเขา คุณสามารถเขียนความเท่าเทียมกันต่อไปนี้:
M=frr;
F=fr
ที่นี่ r คือรัศมีของวงล้อ ความเท่าเทียมกันเหล่านี้มีข้อสรุปที่สำคัญมาก หากแรงเสียดทาน fr มีขนาดเล็กไม่สิ้นสุด มันก็จะจะยังคงสร้างแรงบิดที่จะทำให้ล้อเคลื่อนที่ได้ เนื่องจากแรงภายนอก F เท่ากับ fr ดังนั้นค่า F ที่น้อยมากจนนับไม่ถ้วนจะทำให้วงล้อหมุน ซึ่งหมายความว่าหากตัวม้วนเป็นแบบในอุดมคติและไม่มีการเสียรูประหว่างการเคลื่อนไหว ก็ไม่จำเป็นต้องพูดถึงแรงเสียดทานของการหมุนใดๆ
ร่างกายที่มีอยู่ทั้งหมดเป็นของจริง นั่นคือ ร่างกายมีความผิดปกติ
กลิ้งตัวจริง
ลองพิจารณาสถานการณ์ที่อธิบายข้างต้นเฉพาะกรณีของวัตถุจริง (ที่เปลี่ยนรูปได้) เท่านั้น พื้นที่สัมผัสระหว่างล้อกับพื้นผิวจะไม่เป็นศูนย์อีกต่อไป แต่จะมีค่าจำกัด
มาวิเคราะห์แรงกัน เริ่มจากการกระทำของแรงในแนวดิ่ง นั่นคือน้ำหนักและปฏิกิริยาของแนวรับ ยังคงเท่าเทียมกันเช่น:
N=ป
อย่างไรก็ตาม แรง N ตอนนี้ทำหน้าที่ในแนวตั้งไม่ผ่านเพลาล้อ แต่จะเคลื่อนไปเล็กน้อยจากระยะ d หากเรานึกภาพพื้นที่สัมผัสของล้อกับพื้นผิวเป็นพื้นที่ของสี่เหลี่ยม ความยาวของสี่เหลี่ยมนี้จะเป็นความหนาของล้อ และความกว้างจะเท่ากับ 2d.
ตอนนี้เรามาดูแรงในแนวราบกัน แรงภายนอก F ยังไม่สร้างแรงบิดและเท่ากับแรงเสียดทาน fr ในค่าสัมบูรณ์ นั่นคือ:
F=fr.
โมเมนต์ของแรงที่นำไปสู่การหมุนจะทำให้เกิดแรงเสียดทาน frและปฏิกิริยาของแนวรับ N นอกจากนี้ ช่วงเวลาเหล่านี้จะถูกนำไปในทิศทางที่ต่างกัน นิพจน์ที่สอดคล้องกันคือประเภท:
M=Nd - frr
ในกรณีที่เคลื่อนที่สม่ำเสมอ โมเมนต์ M จะเท่ากับศูนย์ เราจึงได้:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
ความเท่าเทียมกันสุดท้ายโดยคำนึงถึงสูตรที่เขียนข้างต้นสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้:
F=d/rP
เรามีสูตรหลักในการทำความเข้าใจแรงเสียดทานของการหมุน เราจะวิเคราะห์เพิ่มเติมในบทความ
สัมประสิทธิ์ความต้านทานการหมุน
ค่าสัมประสิทธิ์นี้ได้รับการแนะนำข้างต้นแล้ว ยังได้ให้คำอธิบายทางเรขาคณิตอีกด้วย เรากำลังพูดถึงค่าของ d เห็นได้ชัดว่า ยิ่งค่านี้มากเท่าไร โมเมนต์ยิ่งสร้างแรงปฏิกิริยาของตัวรองรับ ซึ่งจะป้องกันการเคลื่อนที่ของวงล้อ
สัมประสิทธิ์ความต้านทานการหมุน d ตรงกันข้ามกับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิตและเลื่อน เป็นค่ามิติ มีหน่วยวัดเป็นหน่วยความยาว ในตารางมักจะกำหนดเป็นมิลลิเมตร ตัวอย่างเช่น สำหรับล้อรถไฟที่กลิ้งบนรางเหล็ก d=0.5 มม. ค่า d ขึ้นอยู่กับความแข็งของวัสดุทั้งสอง น้ำหนักบรรทุกบนล้อ อุณหภูมิ และปัจจัยอื่นๆ
สัมประสิทธิ์ความฝืดในการกลิ้ง
อย่าสับสนกับสัมประสิทธิ์ d ก่อนหน้า สัมประสิทธิ์การเสียดสีแบบหมุนแสดงด้วยสัญลักษณ์ Cr และคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
Cr=d/r
ความเท่าเทียมกันนี้หมายความว่า Cr ไม่มีมิติ เธอเป็นผู้ที่ได้รับตารางจำนวนหนึ่งที่มีข้อมูลเกี่ยวกับประเภทของแรงเสียดทานที่พิจารณา ค่าสัมประสิทธิ์นี้สะดวกต่อการคำนวณเชิงปฏิบัติเพราะมันไม่ต้องรู้รัศมีของวงล้อ
ค่าของ Cr ในกรณีส่วนใหญ่จะน้อยกว่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานและส่วนที่เหลือ ตัวอย่างเช่น สำหรับยางรถยนต์ที่เคลื่อนที่บนแอสฟัลต์ ค่าของ Cr อยู่ภายในสองสามร้อย (0.01 - 0.06) อย่างไรก็ตาม จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อใช้ยางแบนบนพื้นหญ้าและทราย (≈0.4)
การวิเคราะห์สูตรผลลัพธ์ของแรง fr
ลองเขียนสูตรข้างต้นสำหรับแรงเสียดทานกลิ้งอีกครั้ง:
F=d/rP=fr
จากความเท่าเทียมกัน ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของล้อใหญ่ขึ้น แรง F ที่น้อยกว่าก็ควรจะถูกนำมาใช้เพื่อให้มันเริ่มเคลื่อนที่ ตอนนี้เราเขียนความเท่าเทียมกันนี้ผ่านสัมประสิทธิ์ Cr เรามี:
fr=CrP
อย่างที่คุณเห็น แรงเสียดสีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับน้ำหนักของร่างกาย นอกจากนี้ ด้วยการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในน้ำหนัก P สัมประสิทธิ์ Cr เปลี่ยนแปลงตัวเอง (เพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นใน d) ในกรณีส่วนใหญ่ Cr อยู่ภายในสองสามร้อย ในทางกลับกัน ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจากการเลื่อนจะอยู่ภายในสองสามในสิบ เนื่องจากสูตรแรงเสียดทานในการกลิ้งและเลื่อนเหมือนกัน การกลิ้งจึงเป็นประโยชน์จากมุมมองของพลังงาน (แรง fr เป็นลำดับความสำคัญน้อยกว่าแรงเลื่อนใน สถานการณ์ที่เป็นประโยชน์มากที่สุด)
เงื่อนไขการหมุน
พวกเราหลายคนเคยเจอปัญหาล้อรถลื่นเวลาขับบนน้ำแข็งหรือโคลน ทำไมถึงเป็นอย่างนี้เกิดขึ้น? กุญแจสำคัญในการตอบคำถามนี้อยู่ที่อัตราส่วนของค่าสัมบูรณ์ของแรงเสียดทานแบบหมุนและพัก มาเขียนสูตรกลิ้งกันอีกครั้ง:
F ≧ CrP
เมื่อแรง F มากกว่าหรือเท่ากับความฝืดในการกลิ้ง ล้อจะเริ่มหมุน อย่างไรก็ตาม หากแรงนี้มีค่าเกินกว่าค่าแรงเสียดทานสถิตก่อนหน้านี้ ล้อจะลื่นเร็วกว่าการกลิ้ง
ดังนั้น เอฟเฟกต์การลื่นถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทานสถิตและแรงเสียดทานจากการหมุน
วิธีป้องกันล้อรถลื่น
ความฝืดของล้อรถบนพื้นผิวลื่น (เช่น บนน้ำแข็ง) มีลักษณะเป็นสัมประสิทธิ์ Cr=0.01-0.06 อย่างไรก็ตาม ค่าของ ลำดับเดียวกันเป็นเรื่องปกติสำหรับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต
เพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงที่ล้อจะเลื่อนไถล ยาง "ฤดูหนาว" แบบพิเศษจึงถูกนำมาใช้ในการขันเดือยโลหะ หลังกระแทกพื้นผิวน้ำแข็งเพิ่มสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต
วิธีเพิ่มแรงเสียดทานสถิตอีกวิธีหนึ่งคือการปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่ล้อเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น โดยโรยด้วยทรายหรือเกลือ
