แรงเสียดทาน

ดึงตู้เบา ๆ ตู้ไม่ขยับ ดึงแรงขึ้นก็ยังนิ่ง จนกระทั่งเริ่มไถล ทำไมตอนแรกแรงเสียดทานจึงดูเหมือนเปลี่ยนตามแรงดึงของเรา? และทำไมถ้าไม่มีแรงเสียดทาน เราจึงเดินตามปกติไม่ได้?

หากตู้ยังนิ่งขณะถูกดึงแนวราบ อะไรทำให้แรงดึงสมดุล? พื้นต้านการเลื่อนสัมพัทธ์ระหว่างผิวที่สัมผัสกัน นี่คือแรงเสียดทานสถิต เมื่อดึงเบา แรงเสียดทานมีขนาดเท่ากับแรงดึงและทิศตรงข้าม หากเพิ่มแรงดึงภายในขอบเขตหนึ่ง แรงเสียดทานก็เพิ่มตาม แต่การปรับค่านี้มีขีดจำกัด เมื่อแรงที่ต้องใช้รักษาสมดุลเกินขีดจำกัด การไถลจะเริ่มขึ้น

ลองนึกถึงพื้นลื่นสมบูรณ์ เท้าพยายามถีบไปด้านหลังแต่กลับไถล จึงแทบไม่ทำให้ตัวเราเร่งไปข้างหน้า บนพื้นปกติ เท้าไม่ไถลขณะถีบ เท้าออกแรงต่อพื้นไปด้านหลัง และพื้นออกแรงเสียดทานสถิตต่อเท้าไปด้านหน้า ดังนั้นคำว่าแรงเสียดทานต้านการเคลื่อนที่ของวัตถุเสมอจึงไม่ถูก ต้องถามว่าผิวสัมผัสไถลหรือมีแนวโน้มจะไถลเทียบกันอย่างไร

ทีนี้ตู้ไถลไปทางขวาบนพื้นอยู่นิ่ง แรงเสียดทานจลน์จากพื้นกระทำต่อตู้ไปทางซ้าย ต้านการไถลสัมพัทธ์ ขนาดแรงวัดเป็นนิวตัน แต่ถ้าวางแท่งวัตถุบนสายพานที่เคลื่อนไปทางขวาและไถลอยู่ใต้มัน แรงเสียดทานอาจทำให้แท่งวัตถุเร่งไปทางขวาได้ ทิศจึงขึ้นกับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของผิว ไม่ใช่เพียงทิศความเร็วของแท่งวัตถุเทียบกับห้อง

กดยางลบที่กำลังไถลกับโต๊ะให้แรงขึ้น โดยทั่วไปจะดึงได้ยากขึ้น เราอธิบายการกดเข้าหากันด้วยแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก N ซึ่งเป็นแรงที่สิ่งรองรับกระทำต่อวัตถุในทิศตั้งฉากกับผิว ในที่นี้ N เป็นสัญลักษณ์ของแรง ส่วนหน่วยคือนิวตัน บนโต๊ะราบที่ไม่มีแรงแนวดิ่งอื่นและไม่มีความเร่งแนวดิ่ง N = mg การกดเพิ่มทำให้ N เพิ่ม ถ้าสิ่งรองรับเอียงหรือมีการกระทำอื่น ต้องพิจารณาแรงแยกตามกรณี

ในการทดลองกับผิวแห้ง เรามักประมาณแรงเสียดทานจลน์ด้วย Fтр = μN สัมประสิทธิ์ μ ไม่มีมิติและขึ้นกับคู่วัสดุกับสภาพผิว เมื่อ μ คงเดิม การเพิ่ม N เป็นสองเท่าทำให้แรงเสียดทานเป็นสองเท่า ส่วนการลด μ ทำให้แรงเสียดทานลดลงที่แรงกดเท่าเดิม สูตรจึงแยกวิธีเปลี่ยนแรงต้านสองวิธี คือเปลี่ยนผิวหรือเปลี่ยนแรงที่กดเข้าหากัน นี่เป็นแบบจำลองจากการทดลอง ไม่ใช่กฎที่แม่นตรงสำหรับทุกผิวสัมผัสและทุกอัตราเร็ว

แท่งวัตถุที่วางนิ่งและไม่มีแรงแนวราบ จะมีแรงเสียดทาน μN เพียงเพราะสัมผัสโต๊ะหรือ? ไม่ใช่ เพราะไม่มีแรงแนวราบที่ต้องทำให้สมดุล แรงเสียดทานสถิตจึงเป็นศูนย์ได้ ในที่นี้ Fтр = μN ใช้กับการไถล แบบจำลองง่ายนี้ไม่ได้ใช้พื้นที่สัมผัสที่มองเห็นโดยตรง การพลิกแท่งวัตถุวางอีกด้านจึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแรงเสียดทานหาก N และ μ เท่าเดิม แต่ผิวจริงอาจมีพฤติกรรมนอกขอบเขตการประมาณนี้

วางของบนล้อแทนการลากกับพื้น ผิวด้านล่างทั้งหมดไม่ต้องไถลต่อเนื่อง การขนย้ายจึงมักง่ายขึ้น แต่ขณะกลิ้ง ล้อและพื้นเปลี่ยนรูปเล็กน้อย พลังงานส่วนหนึ่งที่ใช้ไปไม่ได้กลับคืนสู่การเคลื่อนที่ จึงเกิดแรงต้านการกลิ้ง ซึ่งโดยทั่วไปน้อยกว่าแรงเสียดทานจลน์ภายใต้เงื่อนไขที่เทียบกันได้ อย่างไรก็ตาม ยังต้องมีการยึดเกาะระหว่างล้อกับถนน ไม่เช่นนั้นจะเร่ง เบรก และเลี้ยวได้ยาก

กล่องกำลังไถล โดย N = 60 Н, μ = 0,25 จงหาแรงเสียดทาน

มีการไถลอยู่แล้ว จึงใช้แบบจำลอง Fтр = μN ได้

Fтр = 0,25·60 Н = 15 Н สัมประสิทธิ์ไม่มีมิติ ผลจึงมีหน่วยเป็นนิวตัน

แรงมีทิศต้านการเคลื่อนที่ของกล่องเทียบกับผิว

15 Н ในทิศต้านการไถลสัมพัทธ์

ทิศแรงเสียดทานขึ้นกับการไถลสัมพัทธ์หรือแนวโน้มที่จะเริ่มไถล แรงเสียดทานทำให้วัตถุเร่งได้

แรงเสียดทานสถิตปรับค่าตามแรงอื่นได้ถึงขีดจำกัด และอาจเป็นศูนย์

Fтр = μN เป็นการประมาณสำหรับการไถลแบบแห้ง ต้องดูชนิดการสัมผัสและแรงปฏิกิริยาตั้งฉากก่อน

แรงเท่ากันที่กระทำบนพื้นที่มากหรือน้อยให้ผลต่างกัน เรื่องนี้จะนำเราไปสู่ความดัน