ישנם מספר סוגים של כוחות חיכוך. כאשר רוצים להתייחס לכוח חיכוך ספציפי, מחליפים את האות הקטנה f, באות אחרת המייצגת את אותו הסוג.
לדוגמה: חיכוך סטטי - formula_2, חיכוך קינטי - formula_3.
מאפיינים.
כוח החיכוך הקינטי אינו כוח משמר, כלומר במערכת בה יש חיכוך קינטי אין שימור אנרגיה, והעבודה שכוח החיכוך עושה הופכת לחום או לשינוי צורה של המשטח (דפורמציה פלסטית).
לכך יש היבטים טכנולוגיים רצויים וגם לא רצויים.
מקדם החיכוך.
מקדם החיכוך מתאר את היחס בין כוח החיכוך הפועל בין שני גופים לבין הכוח המצמיד אותם אחד לשני.
באופן כללי מקדם החיכוך מיוצג על ידי האות היוונית μ.
כאשר רוצים להתייחס למקדם החיכוך של סוג מסוים נהוג לצרף אות קטנה המייצגת את הסוג הספציפי. לדוגמה:
הכוח הנורמלי הוא כוח שמפעיל משטח בתגובה לכוח שמופעל עליו. על כן הוא שווה בגודלו לכוח הפועל בין שני הגופים (או בין גוף למשטח).
הוא מסומן באופן מסורתי באות formula_6, או כ- formula_7.
על כן:
formula_8
משום שהוא מבטא יחס בין שני כוחות, מקדם החיכוך הוא גודל חסר ממד, כלומר גודל ללא יחידות פיזיקליות - מספר טהור.
השפעת מקדם החיכוך על עצמת כוח החיכוך.
מתוך משוואת מקדם החיכוך ניתן לראות ש:
formula_9
כלומר, כוח החיכוך מושפע מגודל מקדם החיכוך, כך שככל שמקדם החיכוך גדל כך גדל גם כוח החיכוך.
השפעת סוג החומר על מקדם החיכוך.
גודלו של מקדם החיכוך משתנה בהתאם לחומרים שמהם עשויים הגופים.
בעקבות זאת, ניתן לשנות את גודלו של כוח החיכוך בין גוף למשטח על ידי הוספה של חומר חוצץ ביניהם המשפיע על גודלו של מקדם החיכוך.
שינוי זה יכול להוביל להפחתה או הגברה של כוח החיכוך בהתאם לצורך.
הפחתת כוח החיכוך
חומר סיכה הוא חומר שנועד להפחית את מקדמי החיכוך הסטטים והדינאמים שבין שני משטחים שלפחות אחד מהם נע ונוגעים אחד בשני. להלן מספר דוגמאות:
הגברת כוח החיכוך
ניתן לעשות שימוש בחומרים בעל מקדם חיכוך גבוה לצורך מניעת החלקה. פעולה זו יכולה להגביר את הבטיחות במקומות בהם אנשים עלולים להיפצע כתוצאה מהחלקה. להלן מספר דוגמאות:
סוגי חיכוך.
מבדילים בין סוגים שונים של תצורות בהן כוח החיכוך מופיע: חיכוך סטטי, חיכוך קינטי, חיכוך גלגול, גרר.
חיכוך קינטי.
חיכוך קינטי (Kinetic friction) הוא כוח החיכוך בין גופים הנמצאים בתנועה אחד ביחס לשני.
כוח החיכוך הקינטי מקביל למשטח שמפעיל אותו על הגוף ומנוגד לכיוון התנועה.
גודלו של כוח החיכוך הקינטי שווה למקדם החיכוך הקינטי כפול הכוח הנורמלי שהמשטח מפעיל על הגוף. כלומר:
formula_10
כתוצאה מכך, עצמתו של כוח החיכוך הקינטי קבועה לכל אורך תנועתו של הגוף על אותו המשטח (או על משטח אחר בעל מקדם חיכוך זהה), כל עוד אין שינוי בשיפוע (אשר יכול להשפיע על גודלו של הכוח הנורמלי).
חיכוך סטטי.
חיכוך סטטי (Static friction) הוא כוח החיכוך בין שני גופים שאינם בתנועה זה יחסית לזה. החיכוך הסטטי גורם לגוף להישאר במקומו ומונע את החלקתו על המשטח.
כיוונו של כוח החיכוך הסטטי הוא בניגוד לכיוון של התנועה הפוטנציאלית ובמקביל למשטח.
גודלו של כוח החיכוך הסטטי אינו קבוע, משום שהוא תלוי בגודלו של הכוח החיצוני המופעל על הגוף.
עקרון ההתמד המבוסס על חוקי התנועה של ניוטון, קובע שכאשר שקול הכוחות על גוף שווה לאפס לגוף לא תהיה תאוצה. כלומר: אם formula_11 אז formula_12.
כאשר אין תאוצה אין שינוי במהירות. כאשר הגוף נמצא במנוחה המהירות הראשונית שלו היא אפס ואם אין שינוי במהירות כך היא תישאר. כלומר, כל עוד שקול הכוחות הפועל על הגוף הוא אפס הגוף הנח לא יזוז ממקומו.
מכך אפשר להסיק גם שאם הגוף לא זז שקול הכוחות הפועלים עליו הוא אפס. לכן אם ידוע שפועל כוח חיצוני על הגוף שגודלו שונה מאפס והגוף אינו זז, ניתן להסיק שכוח החיכוך הסטטי פועל בעצמה שווה ובכיוון מנוגד, כך ש:
formula_13
כדי שהגוף יישאר במנוחה כוח החיכוך הסטטי חייב להיות שווה בעצמתו לכוח החיצוני שאליו הוא יתנגד, אחרת סכום הכוחות לא יהיה אפס והגוף יזוז. משום שעל הגוף יכולים לפעול כוחות חיצוניים בעוצמות שונות, גודלו של כוח החיכוך הסטטי אינו קבוע.
formula_14
ערכו המקסימלי של כוח החיכוך הסטטי הוא:
formula_15
כל עוד הכוח החיצוני המופעל על הגוף קטן או שווה לכוח החיכוך הסטטי המקסימלי, הוא לא יוכל לגרום לתנועה והגוף יישאר במקום. במצב זה גודלו של כוח החיכוך הסטטי יהיה שווה לגודלו של הכוח החיצוני. אם הכוח החיצוני יהיה גדול יותר מכוח החיכוך הסטטי המקסימלי, הגוף יתחיל לנוע וכוח החיכוך שיופעל עליו במהלך התנועה יהיה קינטי (ולא סטטי).
כוח החיכוך הסטטי המקסימלי תמיד גבוה יותר מהחיכוך הקינטי. לכך שתי סיבות מכניות. אחת היא שבמהלך תזוזה בחיכוך, כלומר תחת חיכוך קינטי, קיימת שחיקה של החלקים הנוגעים של שני הגופים, מה שהופך אותם לחלקים יותר ומקטין את החיכוך, לעומת חיכוך סטטי, שבו אין שחיקה של הגופים. סיבה שנייה היא שבמהלך חיכוך קינטי אין זמן לכל השקיעות והבליטות בשני הגופים להתאים, כיוון שהגופים יתרחקו אחד מהשני לפעמים בהתאם לשקיעות והבליטות בהם, והכוח שלוחץ אותם לא יקרב אותם לגמרי אחד לשני מיידית אלא אם הוא אינסופי. בזמן שבו הגופים לא לחוצים לגמרי אחד לשני יפעל עליהם פחות חיכוך. בניגוד לכך, בחיכוך סטטי, לשני הגופים כנראה יהיה זמן להתאים את השקיעות והבליטות בהם.
זוהי הסיבה לכך שיותר קשה להתחיל להזיז גוף העומד על משטח לא חלק מאשר להמשיך את תנועתו מרגע שהחל בה.
חיכוך בגלגול - חיכוך ללא החלקה וחיכוך עם החלקה.
חיכוך גלגול הוא כוח החיכוך בין משטח ובין גוף עגול המתגלגל עליו. ישנם שני סוגי חיכוך בגלגול. חיכוך עם החלקה, וחיכוך ללא החלקה.
חיכוך ללא החלקה אינו מאבד אנרגיה מהמערכת, זהו החיכוך של גלגלי הרכב שלנו כשאנו מאיצים או מאטים בנהיגה רגילה. כאשר האוטו מחליק (למשל בעצירה פתאומית או בשחרור קלאץ' מהיר מדי) אז החיכוך יהיה חיכוך עם החלקה. בחיכוך עם החלקה אובדת אנרגיה.
אפשר להסתכל על הליכתנו כעל גלגול ללא החלקה. גופנו מתקדם, אך המגע בין כף הרגל לרצפה אינו מחליק (ולכן אינו מאבד אנרגיה).
גרר.
גרר הוא כוח החיכוך הפועל על גוף הנמצא בתנועה בתוך נוזל או גז. בדרך כלל כוח הגרר פרופורציוני למהירות או למהירות בריבוע, ותלוי בגורמים כמו הצורה של המסה הנעה בזורם, צמיגות הזורם וכדומה.
במקרה הראשון, כוח הגרר פרופורציוני למהירות (תיאור זה מתאים לזורמים בצפיפות מסוימת) formula_16, כאשר formula_17 מהירות הגוף כפונקציה של הזמן, ו-formula_18 הוא קבוע. במקרה כזה, משוואת התנועה של גוף הנופל נפילה חופשית תחת השפעת כוח החיכוך עם האוויר (חשוב לציין שלעיתים החיכוך עם האוויר פרופורציוני לריבוע המהירות, וזה תלוי בגובה ממנו נזרק הגוף) היא: formula_19. ניתן להציג את המשוואה כמשוואה דיפרנציאלית התלויה במהירות: formula_20. ניתן למצוא את פתרון המשוואה בשיטת גורם האינטגרציה, והוא נתון על ידי formula_21, כאשר formula_22 מתקבל מהצבת תנאי התחלה. כמו כן, על ידי אינטגרציה פעם אחת, נוכל למצוא גם את המיקום של הגוף: formula_23 כאשר formula_24 ו-formula_25 מתקבלים מהצבת תנאי התחלה.
כוח זה הוא גם אחד הכוחות שעלולים לשבש אוסצילטור הרמוני.
היסטוריה ומחקר.
תופעות הקשורות בחיכוך ידועות לאנושות עוד מהתקופה הפרהיסטורית, כשאנשים השתמשו בחיכוך כדי להדליק אש, למשל. גם המצרים הקדמונים הכירו בתופעות הקשורות בחיכוך. ישנם ציורי קיר מצריים המראים כיצד משמנים את המסלול לאורכו סוחבים אבנים גדולות ופסלים, וכן נמצאו שרידי שמן על צירי עגלות מצריות.
בעת החדשה, לאונרדו דה וינצ'י ערך ניסויים מדעיים ראשוניים בחיכוך. 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 הקינטי בשנת 1785.
ואלו הם חוקי החיכוך כפי שהציגו אותם אמונטון וקולון:
חוקים אלו הם חוקים אמפיריים (כלומר המבוססים ניסיונית) והם מתקיימים באופן כללי עבור מגוון רחב של חומרים. חוקים אמפיריים אלה, אינם מבוססים על עקרונות יסוד, להוציא כמה מקרים יוצאים מן הכלל. כדי להסביר את תופעת החיכוך מתוך עקרונות יסודיים דרוש מודל. במהלך שנות החמישים פותח מודל כזה על ידי פרנק בוודן ודוד טבור (F.P. Bowden and D. Tabor) המסביר את החוקים האמפריים הללו וכן עוד תכונות רבות של כוח החיכוך. על פי המודל שלהם ההתנהגות של כוח החיכוך נובעת מן העובדה שלמשטחים יש חספוס ומן העובדה ששטח המגע בין המשטחים קטן בהרבה מהשטח הגאומטרי שלהם.
במבט מיקרוסקופי, המשטח כבר לא נראה חלק אלא גבשושי. כאשר שני משטחים באים במגע, הבליטות על פני שני המשטחים פוגשות אלו את אלו ראשונות והן נושאות בעומס. שטח המגע האקטיבי הנדרש כדי להחזיק את העומס (הכוח הנורמלי) מורכב מנקודות מגע ספורות בלבד ולפיכך הוא קטן מאוד. בנקודות אלו הלחץ הוא עצום (בגלל השטח הקטן) ולכן המשטחים ניתכים אחד לתוך השני בנקודות הללו. העומס מתכונתי לשטח האפקטיבי וגם כוח החיכוך מתכונתי לשטח האפקטיבי. לכן כוח החיכוך מתכונתי לעומס.
דוגמאות נוספות לשימוש בחיכוך.
יש פעמים בהם החיכוך הוא גורם נצרך המאפשר את השימוש במכשיר כלשהו, ויש פעמים בהם אנו רוצים להימנע מהחיכוך.
תור (אל)