חיכוך

סכמה המתארת חיכוך של גוף המחליק על פני מישור משופע

חיכוך (באנגלית: friction) הוא שם כללי לכוחות הנוצרים כתוצאה מתנועה יחסית בין גוף לבין משטח, או בין שני גופים. כוחות החיכוך תמיד מקבילים למשטח המגע בין הגופים. כוח החיכוך עושה עבודה ההופכת לחום או לשינוי צורה של המשטח (מעוות פלסטי).

הסבר כללי

כוח החיכוך, מופעל באיזור מגע בין שני גופים והוא תלוי בשני דברים. הראשון הוא מקדם החיכוך והשני הוא הכוח המופעל בניצב למישור המגע.

כוח החיכוך המקסימלי בין שני גופים מחושב על ידי הנוסחה האמפירית:

עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): F_f=\mu F_N\,\!

כאשר: עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): \mu הוא מקדם החיכוך ו עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): F_f הוא כוח החיכוך.

עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): \mu , מקדם החיכוך, הוא תכונה של שני החמרים של הגופים הבאים במגע.

עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): F_N הוא הכוח הניצב למישור המגע בין שני הגופים. כאן מדובר לא על הכוח באופן כללי, אלא על רכיב הכוח המופעל בניצב למשטח המגע בין שני הגופים. רכיב זה יהיה גדול ביותר כאשר הכוח מופעל בניצב ממש (ושווה לכוח הכללי), וככל שהזווית שונה מ-90° כך יקטן רכיב הכוח המופעל בניצב למישור (ויגדל הרכיב המופעל במקביל).

דוגמה לכך אנו מכירים מנעלי הטיפוס: ככל שהאחיזה עליה אנו עומדים משופעת יותר, כך החיכוך קטן. סיכוי טוב ביותר להחליק הוא על קיר אנכי ללא אחיזה. כדי למנוע החלקה אנו נשענים לאחור באופן אינסטינקטיבי, כך שמופעל כוח גדול יותר בניצב לקיר ולא במקביל לו.

שימו לב, הנוסחה נותנת את הכוח המקסימלי שהחיכוך יכול לייצר. על פי החוק הראשון של ניוטון: אם גוף לא נע, שקול הכוחות הפועלים עליו הוא אפס. כלומר, אם פועל כוח על גוף, כל זמן שאין תנועה, החיכוך מתנגד לתנועה וגדלו בדיוק כמו הכוח המופעל. אם הכוח הזה גדול מהערך המקסימלי, זה הניתן לחישוב על פי הנוסחה, תהיה תנועה.

למעשה, במרבית המקרים יש שני מקדמי חיכוך: במנוחה ובתנועה, סטאטי ודינאמי (או קינטי). מקדם החיכוך הסטאטי, הנותן את הערך של כוח החיכוך ללא תנועה, גדול בדרך כלל ממקדם החיכוך הדינאמי, שנותן את הערך כאשר קיימת תנועה יחסית בין הגופים.

סוגי חיכוך

מבדילים בין סוגים שונים של תצורות בהן כוח החיכוך מופיע:

• חיכוך סטטי - הוא כוח החיכוך בין שני גופים שאינם בתנועה זה יחסית לזה.
• חיכוך דינאמי - הוא כוח החיכוך בין גופים בתנועה. כוח החיכוך הדינאמי, מעל מהירות סף, כמעט שאינו תלוי במהירות ההחלקה.
• חיכוך גלגול - הוא כוח החיכוך בין משטח ובין גוף עגול המתגלגל עליו.
• גרר - הוא כוח החיכוך שפועל על גוף הנע בתוך זורם (נוזל או גז). הגרר תלוי במידה רבה בגיאומטריה של הגוף, בטקסטורה המקרוסקופית ובמהירות. גרר אינו חשוב בטיפוס, והובא כאן רק לשם השלמות.

חוקי החיכוך

בשנת 1699 ניסח הפיזיקאי הצרפתי בשם גיום אמונטון (Guillaume Amontons) את חוקי החיכוך הסטאטי המוכרים לנו. את חוקי החיכוך הדינאמי הוסיף צרפתי אחר, שארל-אוגוסטן דה קולון (Charles-Augustin de Coulomb), בשנת 1785.

חוקי החיכוך הכלליים שהוצגו על ידי אמונטון וקולומב, מקובלים גם כיום:

• כוח החיכוך (סטאטי וקינטי) עומד ביחס ישר לכוח הנורמלי (הכוח הנורמלי הוא הכוח שלוחץ את הגופים זה אל זה).
• כוח החיכוך הסטאטי מתקיים כל זמן שמופעל על הגוף כוח, אבל אין תנועה. גדלו של החיכוך הסטאטי שווה לכוח הדוחף, וכיוונו הפוך. המשמעות היא שהגודל בנוסחה הוא ערך מקסימאלי.
• כוח החיכוך אינו תלוי בשטח או בצורה הגאומטרית של הגופים.
• כוח החיכוך אינו תלוי באיכות פני השטח של הגופים.
• כוח החיכוך תלוי בסוג החומרים הבאים במגע.
• כוח החיכוך הקינטי כמעט שאינו תלוי במהירות ההחלקה.

מהו החיכוך?

מודל פשוט המסביר את מרבית התכונות של כוח החיכוך, פותח במהלך שנות החמישים על ידי פרנק באודן (F.P. Bowden) ודוד תבור (D. Tabor). על פי המודל שלהם ההתנהגות של כוח החיכוך נובעת מן החספוס של המשטחים הבאים במגע ומן ההבנה, שבגלל החיספוס, שטח המגע האפקטיבי בין המשטחים קטן במידה משמעותית מהשטח המקרוסקופי הנמדד.

בקצרה: כשמסתכלים בקנה מידה מיקרוסקופי, המשטח אינו חלק אלא מחוספס, בדומה לשטח בעל כיפות ומכתשים. כאשר שני משטחים באים במגע, הפסגות הבולטות מן המשטחים פוגשות אלו את אלו ראשונות והן נושאות בעומס. שטח המגע האפקטיבי הנדרש כדי להחזיק את העומס (הכוח הנורמלי) מורכב מנקודות מגע ספורות בלבד ולפיכך הוא קטן מאד. בנקודות אלו המאמץ הוא גדול מאד (בגלל השטח הקטן) ולכן המשטחים "ניתכים" או משתלבים באופן חלקי אחד לתוך השני בנקודות הללו. ככל שהכוח הנורמאלי גדול, כך ה"התכה" תהיה יותר משמעותית, ואלו נקודות חיבור שצריך "לשבור" כדי להתגבר על החיכוך. לכן כוח החיכוך גדל ביחס ישר לכוח הנורמאלי.

זהו מודל נוח, אך מיושן, והוא אינו מסביר מדוע המשטחים, הנעים אחד ביחס למשנהו, מתחממים. כיום מקובל יותר ההסבר המדבר על "הידבקות" של שני המשטחים. על פי הסבר זה, החיכוך הוא ביטוי מאקרוסקופי לכוחות התאחיזה החשמליים בין המולקולות שעל פני שני המשטחים הצמודים (ולא לחיספוס שלהם). כוחות אלו גורמים לכך שקשה להניע את המשטחים הצמודים זה ביחס לזה וכאשר כבר מניעים אותם, הניתוק של המולקולות האחוזות זו בזו גורם לתנועתן. אפשר לדמיין שכל מולקולה נמשכת מעט בכיוון התנועה, וכשהקשר ניתק, היא חוזרת למקומה (כאילו קפיץ מושך אותה) ומתנדנדת מעט במקומה. תנודות אלו של המולקולות גורמות להתחממות.

חשוב להזכיר כי:

• אין בנוסחה ביטוי לשטח המגע או לצורתו או לאופי פני השטח.
• הנוסחה מתייחסת רק לחיכוך בין גופים מוצקים.
• כוח החיכוך הפועל על גוף הנמצא בתנועה בתוך נוזל או גז מחושב אחרת. כוח זה נקרא גרר והוא תלוי בעיקר במהירות התנועה ובגיאומטריה של הגוף.

החיכוך מתנהג באופן דומה עבור מגוון רחב של חומרים. הנוסחה לחישובו היא אמפירית, כלומר מבוססת על ניסויים ומדידה, אך אינה מוסברת על ידי עקרונות פיזיקליים יסודיים. יתרה מזו, יש לה יוצאים מן הכלל.

חיכוך סטאטי ודינאמי

התלות בין כוח החיכוך לכוח הדוחף/מושך את הגוף. החיכוך עולה כמו הכוח הדוחף עד לערך המקסימאלי של החיכוך הסטאטי, (על פי הנוסחה, עם מקדם החיכוך הסטאטי). מעל לערך זה יש תנועה, וכוח החיכוך יורד לערך המחושב על פי מקדם החיכוך הדינאמי

בדרך כלל חיכוך סטטי גדול מחיכוך דינאמי, למה? הנה הסבר אינטואיטיבי (לא מאד מדוייק):

על פי מודל החיספוס:

דמיין משטח גדול מאוד שיש בו גבשושיות קטנות מאד, עכשיו מניחים עליו גוף, שהמשטח התחתון שלו בעל טקסטורה דומה. כשמנסים לדחוף את הגוף על המשטח, הגבשושיות של האחד "נכנסות" בין גבשושיות של האחר ומפריעות להחלקה. זה מתאים למצב סטאטי, כלומר - חיכוך סטאטי.

אבל, אם הצלחנו לדחוף והיתה קצת תזוזה, המשטח הקטן התרומם קצת והגיע לנקודה שרק קצות הגבשושיות נוגעות אחת בשניה. במצב זה, תנועה מהירה, מעל למהירות הקריטית, תגרום למצב שהגבשושיות יעברו מהר מ"פיסגה" ל"פיסגה" ולא ממש נכנסות אחת בשניה (אלא אם נפסיק לדחוף והמשטחים "ייפלו" שוב אחד לתוך האחר). בזמן תנועה, יש חיכוך, אבל יותר קטן, כי רק בקצות הגבשושיות יש מגע. זה מתאים למצב של תנועה, כלומר - חיכוך דינאמי.

על פי מודל ההידבקות:

לקשרים הבין מולקולריים לוקח קצת זמן להיווצר. בזמן תנועה, חלק מן הקשרים לא מספיקים להיווצר, ולכן ההידבקות "פחות טובה". במצב סטאטי, יש יותר זמן ונוצרים יותר קשרים בין הגופים, לכן ההידבקות יותר חזקה.

חיכוך בטיפוס

בטיפוס יש משמעות רבה לחיכוך. מספר דוגמאות:

חיכוך באמצעי חיכוך לאבטחה וגלישה

אופן הפעולה של רובם המכריע של אמצעי החיכוך מודגם יפה על ידי חבל המלופף על תוף. הרעיון של אמצעי החיכוך הוא לגרום לחבל להפעיל כוח בניצב לאביזר, וכך ליצור כוח חיכוך. ככל שהחיכוך גדול יותר, כך נדרש להפעיל פחות כוח בהחזקת החבל. הדרך לעשות זאת היא ליצור "שבירה" של החבל סביב משהו: תוף, טבעת, עמוד, אמצעי חיכוך.

נושא זה הינו מעט מורכב, והוא מוסבר ביתר פירוט במאמר איך עובדים אמצעי חיכוך? כאן רק נביא את המסקנה הסופית, והיא, שבתוף מקוטר מסויים ומעלה, אין השפעה לאורך החבל המתחכך בתוף (ולכן אין השפעה לקוטר התוף), אלא רק לזוית המגע, או לחלק הסיבוב שעובר החבל סביב התוף.

אם נסמן את הזוית ב-עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): \alpha , ואת העומס על החבל ב-עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): T_2 , נקבל כי הכוח בו צריך למשוך את החבל בצד השני של התוף עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): T_1 הוא:

עיבוד הנוסחה נכשל (קובץ ההפעלה <code>texvc</code> אינו זמין. נא לעיין ב־math/README כדי להגדירו.): T_2=T_1 e^ {\mu\alpha}\,\!

במאמר ההוא יש גם מספר דוגמאות לאמצעי חיכוך שונים, ואיך החיכוך משתנה בהם.

דראג

דראג הוא החיכוך הנוצר בהובלה ממעבר החבל בראנרים של העגינות ועל גבי הסלע. פירוש המילה דראג באנגלית הוא "גרירה", והמונח מתייחס לההתנגדות של החבל לגרירה, שהיא למעשה החיכוך של החבל במעבר על הסלע ובעגינות. חיכוך זה מביא לעיתים למצבים מגוחכים בהם המטפס צריך למשוך את החבל בשתי ידיים ובכל הכח כדי שיוכל להתקדם. ברור שאי אפשר לטפס כך. הדראג הופך גדול בפיצ'ים ארוכים, בסוף הפיץ', כשמספר העיגונים גדול, ואורך החבל הנגרר על ידי המוביל גדל. החיכוך שונה לחבלים בקטרים שונים והוא גדול יותר בחבלים עבים מאשר בחבלים דקים.

הדראג של החבל מקשה על המוביל, והוא עובד כמו משקל נוסף שעל המוביל לסחוב. הוא מאט את הטיפוס ומגדיל את סכנת הנפילה. במקרים קיצוניים המשיכה של החבל היא כזו שהמוביל אינו יכול להתקדם כלל. החיכוך מורכב, כאמור, משני גורמים עיקריים: חיכוך על הסלע וחיכוך בעגינות.

חיכוך בנעלי טיפוס

חיכוך של נעלי טיפוס על סלע כמו בסמירינג וברידג'ינג, הוא קצת משונה, ומתנהג קצת כמו חיכוך בין מוצקים שתואר קודם, אבל לא בדיוק. הגומי ממנו עשוייה הסוליה הוא מבחינה פיזיקלית נוזל. אמנם נוזל סמיך מאד, אבל נוזל. בזורמים (נוזלים וגאזים) החיכוך תלוי בכמה דברים: מקדם החיכוך, צמיגות הנוזל, וגם מהירות הזרימה.

גם בטיפוס קירות תלולים, כאשר נשתמש בעיקר באחיזות ברורות, שניתן לעמוד עליהן, כמו מדפונים, יש שימוש לעיתים קרובות באחיזות חיכוך לרגלים, וגם אז, נשאף להרחיק את הגוף מן הסלע כדי להגדיל את החיכוך, למרות שהעומס על הידיים ופלג הגוף העליון יגדל.

חיכוך באבני עיגון

אבני עיגון המבוססות על חיכוך כמו פרנדים.

קישורים חיצוניים

• מאמר קליל המסביר מצויין היבטים שונים בנושא החיכוך
• הסבר על סוגי החיכוך - באנגלית

---

תרמו לדף זה: מיכה יניב ואחרים...