جمهورية مصر العربية
وزارة التربية و التعليم
مديرية التربية والتعليم بالدقهلية
إدارة دكرنس التعليمية
مدرسة خليل فهمي الابتدائية بميت طريف
|
بحث بعنوان :
" الاحتـــكاك"
إعداد التلميذ :
محمد محمود طلبة محمد زغلي
إشراف المعلم :
السعيد مصطفي
العام الدراسي :
2011/2012م
بسم الله الرحمن الرحيم
المقدمــة
إن الحمد لله نحمده، ونستعينه، ونستغفره ، و نستهديه , من يهده الله فلا مضل له ومن يضلل فلن تجد له وليا مرشداً، وأشهد أن لا إله إلا الله وحده لا شريك له، وأشهد أن محمداً عبد الله ورسوله، صلى الله عليه وسلم وعلى آله وصحبه وسلم تسليماً كثيراً.
أما بعد...
فإن الحديث على صفحات هذا البحث سيدور بحول الله وقوته حول موضوع : " الاحتكاك " ذلك الموضوع الذي يحظى باهتمام كبير من قبل المتخصصين و الباحثين في الفيزياء و تفرد له أقسام الفيزياء في الجامعات مقررات و أبواب و فصول عديدة , و هذا إيمانا منهم بأهمية هذا الفرع المعرفي و دوره في الحياة اليومية للإنسان . و انطلاقا من هذه الأهمية البالغة للاحتكاك فقد اخترته موضوعا للحديث على صفحات هذا البحث. و سيتم الاعتماد على جمع المادة العلمية لهذا البحث من عدة مصادر ومراجع علمية و ذلك في ضوء ما تيسر لي من معلومات...
وأرجو من الله العلي العظيم أن يلهمني السداد و التوفيق في عرض هذا الموضوع على النحو الأفضل ...إنه سميع مجيب ...
و الله الموفق...
مفهوم علم الاحتكاك:
علم الاحتكاك: (بالإنجليزية: Tribology) هو العلم الذي يهتم بدراسة السطوح المتلامسة في حركتها النسبية والمواضيع المتعلقة بهذا الاحتكاك، من تآكل وعمليات تزييت وتشحيم. كلمة Tribology تم صياغتها للمرة الأولى عام 1966 من الكلمة اليونانية Tribos وتعني "الفرك" أو "الحك"، وعليه فإن المعنى الحرفي للكلمة قد يكون "علم الفرك(1)".
تاريخ علم الاحتكاك:
من المعروف أن الأدوات التي كانت تستخدم في العصر الحجري من أجل حفر الحفر أو توليد النار كانت تزود بنوع من المدحرجات التي كانت تصنع من عظام أو قرون الحيوانات وكانت تشبه إلى حد ما المدحرجات المستخدمة اليوم. تظهر الوثائق تاريخ استخدام العجلات إلى الفترة حوالي 3500 قبل الميلاد، مما يظهر اهتمام الناس في الماضي إلى تقليل الاحتكاك في حركة النقل. لقد تطلب نقل حجارة البناء الضخمة معرفة في الاحتكاك واستخدام السكك المنزلقة بالماء. تظهر أحد الصور استخدام الزلاقات عند قدماء المصريين في فترة 1880 قبل الميلاد، حيث تظهر الصورة 172 عبداً يجرون تمثالاً كبيراً يزن 600 كيلو نيوتن على طول سكة خشبية. كما تظهر الصورة أحد الرجال الواقفين على السكة يصب سائل على طول خط الحركة، ويعتبر هذا الرجل أحد أقدم مهندسي التزييت في العالم. تم تقدير أن كل عامل يسحب بقوة حوالي 800 نيوتن، وعلى هذا الأساس فإن القوة الإجمالية للجر تعادل 172 مضروبة بـ 800 نيوتن، وعليه من الممكن حساب معامل الاحتكاك بقيمة 0.23
المصريون القدماء يستخدمون زيت الانزلاق من أجل المساعدة في تحريك تمثال Colossus عام 1880 قبل الميلاد.
أثناء عهد انتصارات الإمبراطورية الرومانية، قام المهندسين الحربيين بتزييت الآلات العسكرية المستخدمة أثناء عمليات الحصار. وكان أول من وضع الأسس العلمية لعلم الاحتكاك هم علماء النهضة وعلى رأسهم ليوناردو دافنشي الذي عرف لأول مرة مفهوم معامل الاحتكاك كقيمة لقوة الاحتكاك بالنسبة للحمل الشاقولي.
في عام 1699 وجد Guillaume Amontons أن قوة الاحتكاك تكون متناسبة مع الحمل الشاقولي ولا تتعلق بمساحة سطح الاحتكاك. قام كولومب بصياغة هذه الملاحظات في عام 1781 وقام بالتمييز بشكل واضح بين الاحتكاك الستاتيكي والاحتكاك الحركي. الكثير من التطورات اللاحقة نشأت نتيجة تطور الصناعة في أواخر القرن التاسع عشر، حيث بدأت أوائل ثورة النفط في اسكتلندا وكندا والولايات المتحدة في منتصف القرن التاسع عشر(1).
وعلى الرغم من أن القوانين الأساسية في الموائع تم نشرها من قبل نيوتن، إلا أن الفهم العلمي للمتدحرجات الزلقة لم يتم حتى نهاية القرن التاسع عشر. وبشكل تام فإن الفهم لمبادئ التزييت الهيدروديناميكية أصبح ممكناً مع تجارب أبحاث Tower Tower. بالإضافة إلى الأسس النظرية التي وضعها Reynolds. ومنذ ذلك الوقت فإن التطورات في نظرية المتدحرجات الهيدروديناميكية وتطبيقاتها تطورت بشكل كبير من أجل الوفاء بمتطلبات المتدحرجات في صناعة الآلات.
تعريف الاحتكاك:
شكل توضيحي يظهر جسم يسحب على سطح أفقي. W هي قوة الثقالة الأرضية، F هي قوة الاحتكاك.
تغير قوة الاحتكاك بتغير الزمن.
الاحتكاك هو مقاومة الحركة التي تحدث لحركة عند احتكاك جسم صلب بآخر. يطلق على القوة التي تكون موازية ومعاكسة لاتجاه الحركة اسم قوة الاحتكاك.
فإذا تم تطبيق قوة (F) على جسم من أجل تحريكه، ينتج نوعين من قوى الاحتكاك، القوة الأولى تمانع حركة الجسم لعدة أجزاء من المليلي ثانية قبل بدئه بالحركة وتسمى قوة الاحتكاك الساكن (Fstatic)، والقوة الأخرى هي القوة التي تبقى ممانعة لحركة الجسم أثناء حركته وتسمى قوة الاحتكاك الحركي (Fkinetic). تكون قوة الاحتكاك الحركي أقل أو تساوي قوة الاحتكاك الستاتيكي.
يوجد قانونان معروفان بشكل كبير في مجال الاحتكاك. يقول القانون الأول أن قوة الاحتكاك لا تتعلق بسطح التماس بين الأجسام، والقانون الثاني يقول أن قوة الاحتكاك تتناسب مع القوة الناظمية W المتولدة بين الأجسام المتلامسة. يطلق على هذه القوانين اسم قوانين أمونتون "Amontons laws" نسب إلى المهندس الفرنسي أمونتون الذي قدم هذه القوانين عام 1699.
يتيح القانون الثاني في الاحتكاك تعريف معامل الاحتكاك على الشكل:
حيث
أنواع الاحتكاك :
و من التجارب العملية لوحظ أن قوة الاحتكاك للأجسام الساكنة أكبر من قوة الاحتكاك للأجسام المتحركة. وهذا شيء نلاحظه في حياتنا العملية حيث يحتاج الشخص إلى قوة كبيرة في بداية الأمر لتحريك صندوق خشبي على الأرض ولكن بعد أن يتحرك الجسم نلاحظ أن القوة اللازمة أصبحت أقل من ذي قبل وهذا لأن الجسم أصبح متحركاً وبالتالي فإن قوة الاحتكاك تصبح أقل.(1)
لهذا السبب يمكن تقسيم الاحتكاك إلى نوعين هما الاحتكاك السكوني static friction والاحتكاك الحركي kinetic friction.
ولقد وجد عمليا أن قوة الاحتكاك تتناسب طردياً مع قوة رد الفعل.
وعند تمثيل العلاقة بين القوة المؤثرة على جسم وقوة الاحتكاك بيانياً ينتج الشكل التالي:
معامل الاحتكاك الحركي يكون دائما أكبر من معامل الاحتكاك السكوني ومعامل الاحتكاك ليس له وحدة.
و يعتبر الاحتكاك قوة تطبق في الاتجاه العكسي لسرعة الجسم. فمثلا إذا دُفع كرسي على الأرض نحو اليمين تكون قوة الاحتكاك متجهة إلى اليسار. تنشأ قوة الاحتكاك بين الأجسام نتيجة وجود نتوءات وفجوات بين الأسطح فكلما كانت الأسطح ملساء كلما قلت تلك القوة. أثناء تحرك الجسم على السطح، تصطدم كل من النتوءات الصغيرة الموجودة عليه وذلك السطح، وحينئذ تكون القوة مطلوبة لنقل النتوءات بجانب بعضها الآخر. وتعتمد منطقة الاتصال الفعلي على القوة العمودية بين الجسم والسطح المنزلق. وتتناسب هذه القوة الاحتكاكية مع إجمالي القوة العمودية وتعادل هذه القوة غالبا وزن الجسم المنزلق تماما. وفي حالة الاحتكاك الجاف المنزلق حيث لا يوجد تشحيم أو تزييت، تكون قوة الاحتكاك مستقلة عن السرعة تقريبا. كما أن قوة الاحتكاك لا تعتمد على منطقة الاتصال بين الجسم والسطح الذي ينزلق عليه. وتعتبر منطقة الاحتكاك الفعلية منطقة صغيرة الحجم نسبيا، وتعرف منطقة الاحتكاك بأنها تلك المنطقة التي يحدث فيها تلامس فعلي بين كل من النتوءات الصغيرة الموجودة على الجسم والسطح الذي ينزلق عليه.
معامل الاحتكاك :
معامل الاحتكاك هو كمية عددية تستخدم للتعبير عن النسبة بين قوة الاحتكاك بين جسمين والقوة الضاغطة بينهما، وليس له وحدة قياس. ويعتمد على مادتي الجسمين.مثلا الجليد على المعدن لهما معامل احتكاك قليل (أي إنهما ينزلقان على بعض بسهولة). أما المطاط على الإسفلت فلهما معامل احتكاك عالي جدا (لا ينزلقان على بعض).
يعتبر معامل الاحتكاك كمية تجريبية، أي انه يجب قياسه عن طريق التجربة ولا يمكن حسابه بالمعادلات الرياضية.
كما أن معظم المواد الجافة مع بعضها تعطي معامل احتكاك بين 0.3 و 0.6. ومن الصعب الحصول على قيمة خارج هذا المجال. إن قيمة صفر لمعامل الاحتكاك تعني انه لا يوجد احتكاك بالمرة وسينزلق الجسمان على بعضهما إلى ما لا نهاية. و يكون معامل الاحتكاك الساكن أكبر من الحركي لأن النتوءات والفجوات الموجودة بين أسطح الأجسام المتلاصقة تتداخلان في بعضهما فتسببان مقاومة السطحين للانزلاق. ولكن إذا بدأ الجسم في الانزلاق فلن يتوفر الوقت اللازم للسطحين لكي يتلاحما تماماً كل مع الآخر.
ملاحظات على الاحتكاك :
1- قوة الاحتكاك اتجاهها عكس اتجاه حركة الجسم .
2- تعمل على إبطاء سرعة الجسم .
3- تتغير بتغير نوع سطح الجسمين المتلامسين .
4- يتغير عن قوة الاحتكاك بين سطحي بمقدار محدد وكلما كان هذا المقدار كبير ذل ذلك على أن قوة الاحتكاك كبيرة .
5- كلما تزداد الاحتكاك تقل السرعة والمسافة والعكس صحيح .
من أنواع الاحتكاك :
مقاومة الهواء – مقاومة الماء .
1- مقاومة الهواء : نوع من قوى الاحتكاك وتنشأ عن حركة الجسم في الهواء .
تظهر مقاومة الهواء في السرعات العالية ويقل تأثيرها في السرعات المنخفضة .
ملحوظة : كلما زادت مساحة السطح المعرض للهواء تزداد مقاومة الهواء .
2- مقاومة الماء : نوع من قوى الاحتكاك ينشأ عن حركة الجسم في الماء .
تطبيقات الاحتكاك :
حالات الاحتكاك(1):
1- يحدث الاحتكاك بين سطحين متلامسين يتحرك أحداهما بالنسبة للأخر .
2- الاحتكاك بين سطحين أحداهما يتدحرج على الأخر .
3- الاحتكاك الناشئ عن حركة الأجسام فى الماء أو الهواء .
مزايا الاحتكاك :
1- تنظم حركة السيارة على الطريق .
2- التحكم في سرعة السيارة أو إيقافها باستخدام الفرامل .
3- الاحتكاك يحمى من التزحلق على الأرض .
4- الإمساك بالأشياء .
6- إشعال عود الثقاب .
عيوب الاحتكاك :
يتلف الأجزاء الداخلية للألأت الميكانيكية مما يؤدى الى ارتفاع درجة الحرارة فيتطلب التبريد ويؤدى إلى تلف الآلة .
طرق تقليل الاحتكاك :
1- استخدام الشحوم والزيوت بين الأجزاء المتحركة داخل الآلات الميكانيكية لأن الزيوت تكون طبقة رفيقة بين السطحين فيتعلل من تأثير قوة الاحتكاك .
2- استخدام رولمان بلى ووضعه بين أسطح الأجزاء المتحركة داخل الآلات الميكانيكية ويتكون من كريات معدنية صغيرة ذات الأسطح المصقولة الناعمة . فتقل قوى الاحتكاك .
تطبيقات حياتية: التقليل من استهلاك وقود السيارة.
ينصح قائد السيارة بأن لا يزيدوا من سرعة السيارة عن حد معين للتقليل من قوة الاحتكاك بين الهواء وجسم السيارة (1).
الخاتمة
الحمد لله الذي تتم بنعمته الصالحات و الصلاة و السلام على نبينا محمد خاتم النبيين و بعد ... ففي ختام هذا البحث فإنه ينبغي الانتهاء ببيان ما للاحتكاك من فوائد و ما عليه من مآخذ , حيث أنه كثيرا ما ننظر إلى قوة الاحتكاك على أنها قوة مبددة، ومعيقة لحركة الأجسام ،وعندما نحسب الشغل المبذول ضد الاحتكاك نعتبره شغلا ضائعا ونحاول في الكثير من التصاميم الميكانيكية تقليل قوى الاحتكاك إلى أقل قدر ممكن بهدف تحقيق أداء أفضل للآلات والماكينات ولكن.. هل الاحتكاك ضار إلى هذا الحد؟ وما الذي سيحدث لو أن الاحتكاك في لحظة ما قد اختفى من العالم، أي أصبح صفرا ؟
إذا اختفى الاحتكاك فلا بد إن السيارات والقطارات وجميع وسائل المواصلات لن تستطيع أن تتحرك لأنها تتحرك بواسطة الاحتكاك بين الأرض والعجلات. وحتى لو تحركت فإنها لن تستطيع أن تتوقف، لأن الفرامل تعتمد أساسا على الاحتكاك.كما لن يستطيع الناس السير أو حتى الوقوف وقفة سليمة، وكأنهم واقفون على أرضية جليدية. ولن يستطيعوا أن يمسكوا بأي شيء لأنه سينزلق من أيديهم. كما ستتفتت الجبال ولن يبقى عليها أي غطاء من التربة.و لن تبقى أي بناية سليمة بل ستتهدم. وستفك الحبال المربوطة. كل هذا بسبب الانزلاق وانعدام الاحتكاك. باختصار، الحياة مستحيلة بدون احتكاك.
فللاحتكاك فوائد مهمة؛ فهو يجعل عجلات السيارة تتحرك على الرصيف، ويجعل عجلات القاطرة تمسك بقضبان السكك الحديدية. وهو يسمح للسير الناقل بأن يدير البكرة دون انزلاق. وأنت لا تستطيع السير دون الاحتكاك لتمنع حذاءك من التزحلق على الرصيف. ولهذا فمن الصعب السير على الجليد؛ حيث أن السطح الأملس يسبب احتكاكاً أقل من الرصيف، وبذلك يسمح للحذاء بالانزلاق. ويثبت التربة على سطح الجبال ويثبت البنايات ويجعلها قائمة. ويجعل الحبال المربوطة تبقى ثابتة. بالإضافة إلى العشرات إن لم يكن المئات من الفوائد الأخرى.
و على الرغم من هذه الأهمية الكبيرة للاحتكاك واستحالة الحياة بدونه كما رأينا، إلا أن له مساوئ عديدة قد تؤدي إلى أضرار كبيرة على المدى البعيد. فالشغل المبذول بواسطة الاحتكاك يتم تحويله إلى تشوه وحرارة. ففي الآلات، يجعل الاحتكاك جزءا كبيرا من الطاقة المبذولة يذهب سدى. ويحولها إلى حرارة تتطلب المزيد من التبريد. وأحيانا يؤدي الاحتكاك إلى ذوبان بعض الأجسام كما يؤدي إلى التشوه، والتشوه في الأجسام صفة متلازمة مع الاحتكاك. مع انه قد يكون مفيدا في بعض الحالات (مثل صقل الأجسام). إلا أنه عادة يكون مشكلة، لأن الأجسام تبلى وتفقد قدرتها على التحمل، وقد تتعطل بعض الآلات. وعلى المدى الطويل يمكن أن تؤثر على خصائص السطوح وقد تؤثر على معامل الاحتكاك نفسه، ونستطيع أن نرى هذا بأنفسنا في إطارات السيارات القديمة، حيث يكون سطحها أملس تماما. هذه هي مساوئ الاحتكاك في الحياة العملية. وقد كان وما زال للاحتكاك اثر سلبي في تطور العلم، فقد تأخر استنتاج قوانين الحركة لسنوات عديدة بسبب الاحتكاك. ولأن الحرارة والحركة المتولدة عن الاحتكاك تتبدد بسرعة، فقد استنتج العديد من الفلاسفة القدماء (و منهم أرسطو) إن الأجسام المتحركة تفقد من طاقتها بدون وجود قوة معاكسة لها. وهذه النظرية الخاطئة لم تكن لتصاغ لولا الاحتكاك.
و في الختام أسأل العلي العليم أن أكون قد وفقت في عرض هذا الموضوع على النحو الأفضل ... و الله الموفق ...
قائمة المصادر و المراجع
1- الموقع التعليمي للفيزياء :قوة الاحتكاك :
2- علم الاحتكاك , ويكيبيديا، الموسوعة الحرة ar.wikipedia.org/wiki
3- موقع مناهج السعودية الالكترونية :
الفهرس
مسلسل
|
الموضــــــــــوع
|
رقم الصفحة
|
1
|
المقدمــة
|
1
|
2
|
مفهوم علم الاحتكاك
|
2
|
3
|
تاريخ علم الاحتكاك
|
2
|
4
|
تعريف الاحتكاك
|
4
|
5
|
أنواع الاحتكاك
|
6
|
6
|
معامل الاحتكاك
|
8
|
7
|
ملاحظات على الاحتكاك
|
9
|
8
|
من أنواع الاحتكاك
|
9
|
9
|
تطبيقات الاحتكاك
|
10
|
10
|
مزايا الاحتكاك
|
10
|
11
|
عيوب الاحتكاك
|
11
|
12
|
طرق تقليل الاحتكاك
|
11
|
13
|
الخاتمة
|
13
|
14
|
قائمة المصادر و المراجع
|
14
|
15
|
الفهرس
|
15
|
http://www.hazemsakeek.com/Physics_Lectures/Mechanics/includegp1lectuers_8.htm
