الاحتكاك – الفصل الثالث فيزياء خامس علمي

نختم اليوم الفصل الثالث من مادة الفيزياء بموضوع مهم جدًا في الحياة اليومية وفي العلوم التطبيقية، وهو الاحتكاك. يعتبر هذا الموضوع من الأساسيات في فهم سلوك الأجسام عند حركتها أو ميلها إلى الحركة، وتأثير التلامس بين الأسطح المختلفة على ذلك.

تعريف قوة الاحتكاك:

قوة الاحتكاك هي القوة التي تظهر عندما يتحرك جسم على سطح أو يحاول أن يتحرك. تنشأ نتيجة التلامس بين سطح الجسم وسطح آخر، وتكون دائمًا في اتجاه معاكس لحركة الجسم أو الاتجاه الذي يُراد أن يتحرك فيه.

🔹 التعريف الرسمي:
الاحتكاك هو قوة تظهر في أي جسم عندما يتحرك أو يحاول أن يتحرك على سطح، وتكون هذه القوة معاكسة لاتجاه الحركة.

أنواع الاحتكاك:

تنقسم قوة الاحتكاك إلى نوعين رئيسيين:

1. الاحتكاك السكوني (Static Friction):
   • يظهر عندما يكون الجسم ساكنًا، ويمنعه من بدء الحركة.
   • يرمز له بالرمز: Fₛ.
   • قانون الاحتكاك السكوني:

     $$Fₛ = μₛ \cdot N$$حيث:

     • $μₛ$: معامل الاحتكاك السكوني (عدد بلا وحدة).
     • $N$: القوة العمودية (Normal Force)، وتقاس بالنيوتن.
2. الاحتكاك الانزلاقي (Kinetic Friction):
   • يظهر عندما يكون الجسم متحركًا فعليًا على السطح.
   • يرمز له بالرمز: Fₖ.
   • قانون الاحتكاك الانزلاقي:

     $$Fₖ = μₖ \cdot N$$حيث:

     • $μₖ$: معامل الاحتكاك الانزلاقي.

✳️ ملاحظة: كلا النوعين يعتمدان على طبيعة الجسمين المتلامسين، وليس على مساحة التلامس أو السرعة.

سؤال وزاري بصيغة مبسطة:

س: كيف تتولد قوة الاحتكاك؟
ج: تتولد نتيجة حدوث التلامس بين سطح الجسم وسطح آخر، وكلما كان السطح أكثر خشونة زادت قوة الاحتكاك.

خصائص مهمة لقوة الاحتكاك:

• دائمًا ما تكون عكس اتجاه الحركة أو الاتجاه المراد التحرك إليه.
• تتناسب مع القوة العمودية.
• لا تعتمد على مساحة التلامس.
• تختلف من مادة لأخرى حسب طبيعة السطوح.

معامل الاحتكاك:

معامل الاحتكاك هو كمية عددية تعبر عن نسبة قوة الاحتكاك إلى القوة العمودية المؤثرة، وله نوعان:

• معامل الاحتكاك السكوني $μₛ$
• معامل الاحتكاك الانزلاقي $μₖ$

🔹 س: على ماذا يعتمد معامل الاحتكاك؟
ج: يعتمد على طبيعة السطحين المتلامسين فقط.

ملاحظات هامة لحل المسائل:

1. إذا كان الجسم ساكنًا:
   • فإن القوة المتعاكسة تكون متساوية.
   • نستخدم قانون الاحتكاك السكوني.
   • $Fₛ = mg \sin(θ)$
2. إذا كان الجسم متحركًا:
   • نستخدم القوة المحصلة:

     $$F = F_{\text{أكبر}} – F_{\text{أصغر}}$$

   • غالبًا تكون:

     $$ma = mg \sin(θ) – Fₖ$$

3. قوة الوزن:

   $$W = mg$$

مثال تطبيقي محلول:

المثال:
وُضع صندوق كتلته 400 كغم على سطح مائل خشن، وبدأ السطح بالميل حتى أصبح بزاوية 30° عن الأفق، وكان الصندوق على وشك الانزلاق. احسب:

1. قوة الاحتكاك السكوني.
2. تعجيل الصندوق إذا كان معامل الاحتكاك الانزلاقي $μₖ = 0.1$

الحل:

1. قوة الاحتكاك السكوني $Fₛ$:

نستخدم:

$$Fₛ = mg \sin(θ)$$

• الكتلة: $m = 400$ كغم
• $g = 10$ م/ث² (تعجيل الجاذبية)
• $\sin(30°) = 0.5$

$$Fₛ = 400 \times 10 \times 0.5 = 2000 \text{ نيوتن}$$

2. التعجيل $a$:

نستخدم قانون نيوتن الثاني:

$$ma = mg \sin(θ) – Fₖ$$

نحسب أولًا $Fₖ$:

$$Fₖ = μₖ \cdot N$$

والقوة العمودية:

$$N = mg \cos(θ) = 400 \times 10 \times \cos(30°)$$

حيث:

$$\cos(30°) = 0.866 \Rightarrow N = 4000 \times 0.866 = 3464 \text{ نيوتن}$$

إذًا:

$$Fₖ = 0.1 \times 3464 = 346.4 \text{ نيوتن}$$

الآن نرجع لقانون نيوتن:

$$ma = mg \sin(θ) – Fₖ \Rightarrow 400a = 2000 – 346.4 \Rightarrow 400a = 1653.6 \Rightarrow a = \frac{1653.6}{400} \approx 4.13 \text{ م/ث²}$$

خلاصة مهمة:

• الاحتكاك يظهر في كل مكان: عند السباحة، المشي، القيادة.
• أنواعه: سكوني وانزلاقي.
• القوانين الأساسية:

  $$Fₛ = μₛ \cdot N \quad , \quad Fₖ = μₖ \cdot N$$

• أهم ملاحظات الحل: تحديد حالة الجسم (ساكن أو متحرك) واستخدام الزاوية بدقة.