חיכוך

בפיזיקה, חיכוך הוא כוח הפועל בין שני גופים הנמצאים במגע ומופעל על ידי גוף אחד הדוחף או מושך את הגוף איתו הוא בא במגע.

מטאורים נשרפים בשל החיכוך בכניסתם לאטמוספירת כדור הארץ

כוח החיכוך אינו כוח משמר, כלומר במערכת בה יש חיכוך אין שימור אנרגיה, והעבודה שכוח החיכוך עושה הופכת לחום או לשינוי צורה של המשטח (דפורמציה פלסטית). לכך יש היבטים טכנולוגיים רצויים וגם לא רצויים. למשל: החום הנוצר מחיכוך ראש הגפרור גורם להצתתו, והחום הנוצר מחיכוך בוכנה של מנוע יכול לגרום להתכה חלקית שלה, השחיקה הנגרמת על ידי חיכוך מנוצלת לליטוש של עדשות, החיכוך שהריצפה מפעילה על הרגל שלנו דוחפת אותה קדימה ובעצם מאפשרת לנו ללכת, ומנגד השחיקה היא הגורמת לבלאי של חלקי מכונות ולסתימת צינורות.

תופעות הקשורות בחיכוך ידועות לאנושות עוד מהתקופה הפריהיסטורית, 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.

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 קינטי - הוא כוח החיכוך בין גופים בתנועה (שווה למקדם חיכוך כפול כוח נורמאלי).
• חיכוך גלגול - הוא כוח החיכוך בין משטח ובין גוף עגול המתגלגל עליו.
• גרר - הוא כוח החיכוך הפועל על גוף הנמצא בתנועה בתוך נוזל או גז.

כוח הסטטי המקסימלי תמיד גבוה יותר מהחיכוך הקינטי. 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 וקולומב:

1. כוח החיכוך הקינטי וערכו המרבי של כוח החיכוך הסטטי, שניהם מתכונתיים לכוח הנורמלי F=µN (הכוח הנורמלי הוא הכוח שמשטח אחד מפעיל על השני, בהינתן שיש ביניהם מגע. כוח זה תמיד ניצב למשטח המגע). עם זאת, קבוע הפרופורציה, µ, הנקרא מקדם החיכוך, הינו, ברוב המקרים, שונה. במילים אחרות, על פי רוב, החיכוך הסטטי גדול יותר מאשר הקינטי. הביטוי F=µN מציין ערך מרבי עבור חיכוך סטטי, משום שמתחת לערך זה הגופים אינם נעים זה ביחס לזה, והחיכוך מאזן את הכוח החיצוני הפועל להנעת אחד הגופים ביחס לשני.
2. כוח החיכוך אינו תלוי בשטח או בצורה הגאומטרית של הגופים.
3. כוח החיכוך אינו תלוי באיכות פני השטח של הגופים.
4. כוח החיכוך תלוי בסוגי החומרים מהם עשויים פני השטח של הגופים.
5. כוח החיכוך הקינטי הינו קבוע, וכמעט אינו תלוי במהירות ההחלקה.

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 מאד. 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.

לחיכוך יש השלכות טכנולוגיות רבות ולמדע העוסק בחקר החיכוך השחיקה והשימון קוראים טריבולוגיה (Tribology).

לקריאה נוספת

• The Friction and Lubrication of Solids / by F.P. Bowden and D. Tabor Oxford : Clarendon Press, 1954
• Sliding friction : physical principles and applications / Bo N.J. PerssonBerlin : Springer, c2000

קישורים חיצוניים

• כוח החיכוך, מתוך אתר המרכז הארצי למורי מוט"ב.