חיכוך

חיכוך הוא שם כללי לכוחות הנוצרים כתוצאה מתנועה של גוף על משטח והם ניצבים למשטח המגע ביניהם. 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 בין שני גופים מחושב על ידי הנוסחה:

[math]F_f=\mu F_N\,\![/math]

כאשר: [math]\mu[/math] הוא מקדם החיכוך והוא תכונה של שני החמרים של הגופים הבאים במגע, [math]F_f[/math] הוא כוח החיכוך.

[math]F_N[/math] הוא הכוח הניצב למישור המגע בין שני הגופים. כאן מדובר לא על הכוח באופן כללי, אלא על על רכיב הכוח מופעל 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.

חוקי החיכוך

בשנת 1699 ניסח פיזיקאי צרפתי בשם גיום אמונטון (Guillaume Amontons) את חוקי החיכוך הסטטי כפי שהם ידועים היום, עליהם הוסיף שארל-אוגוסטן דה קולון (Charles-Augustin de Coulomb) את חוקי החיכוך הדינאמי בשנת 1785.

ואלו הם חוקי החיכוך כפי שהציגו אותם אמונטון וקולומב:

• כוח החיכוך (סטאטי וקינטי) עומד ביחס ישר לכוח הנורמלי (הכוח הנורמלי הוא הכוח שלוחץ את הגופים זה אל זה).
• 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 אינו תלוי במהירות ההחלקה.

במהלך שנות החמישים פותח, על ידי פרנק באודן (F.P. Bowden) ודוד טבור (D. Tabor), מודל המסביר תכונות אלו של כוח החיכוך. עפ"י המודל שלהם ההתנהגות של כוח החיכוך נובעת מן העובדה שלמשטחים יש חספוס ומן העובדה ששטח המגע האמיתי בין המשטחים קטן בהרבה מהשטח הגאומטרי שלהם.

בקצרה: כשמסתכלים בקנה מידה מיקרוסקופי, המשטח אינו חלק אלא הררי. כאשר שני משטחים באים במגע, הפסגות הגבוהות 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.

חשוב להזכיר כי:

• אין בנוסחה ביטוי לשטח המגע או לצורתו או לאופי פני השטח. כאן יש התייחסות 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. אבל הנוסחה לחישובו היא אמפירית, כלומר מבוססת על ניסויים ומדידה, אך אינה קשורה לעקרונות יסודיים ויש לה יוצאים מן הכלל.

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.

חיכוך סטאטי ודינאמי

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

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 (אלה אם תפסיק 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.

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?, רק נביא כאן את המסקנה הסופית, והיא, שבתוף מקוטר מסויים ומעלה, אין השפעה לאורך החבל המתחכך בתוף (ולכן אין השפעה לקוטר התוף), אלא לזוית המגע, או חלק הסיבוב שעובר החבל סביב התוף.

אם נסמן את הזוית ב [math]\alpha[/math], ואת העומס על החבל ב [math]T_2[/math], נקבל כי הכוח בו צריך למשוך את החבל בצד השני של התוף [math]T_1[/math] הוא:

[math]T_2=T_1 e^ {\mu\alpha}\,\![/math]

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.

חיכוך במערכות הרמה

---

תרמו לדף זה: מיכה יניב ואחרים...