แรงเสียดทาน

แรงเสียดทานหมายถึง แรงต้านการเคลื่อนที่ ของวัตถุ ที่ เกิดขึ้ นระหว่างผิวที่สัมผัสกัน เช่น เมื่อออกแรงกระทำกับวัตถุเพื่อให้ วัตถุเคลื่อนที่ จะมีแรงชนิดหนึ่งคอยต้านไว้ไม่ให้ วัตถุ เคลื่อนที่ แรงที่ต้านนี้ เรียกว่าแรงเสียดทาน

จากรูป เมื่อออกแรงดึง F จะมีแรงเสียดทาน fs เกิดขึ้นเสมอ และแรงทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันและมีทิศตรง ข้ามกัน 

ชนิดของแรงเสียดทาน
แรงเสียดทาน แบ่งได้ เป็น 2 ชนิดดังนี้
          1. แรงเสียดทานสถิต หมายถึงแรงเสียดทานที่ เกิดขึ้นเมื่อมีแรงภายนอกมากระทําต่อวัตถุ แต่ วัตถุยังไม่เคลื่อนที่ (แรงเสียดทานสถิตมีได้หลายค่า เริ่มตั้งแต่มีค่าเป็นศูนย์ถึงค่าสูงที่สุด ซึ่ง ค่าสูงสุดนี้ จะวัดได้ก็ต่อเมื่อวัตถุเริ่มจะเคลื่อนที่)
          2. แรงเสียดทานจลน์ หมายถึงแรงเสียดทานที่ เกิดขึ้นขณะที่วัตถุ กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว

สัมประสิทธิ์ ความเสียดทาน
          สัมประสิทธิ์ ความเสียดทานหมายถึง อัตราส่วนระหว่างแรงฉุดต่อน้ำหนักที่กด

เมื่อกําหนดให้ 
          µ  เป็นสัมประสิทธิ์ ความเสียดทาน 
          F  เป็นแรงฉุด (N) 
          W  เป็นน้ำหนักวัตถุ (N) 
จะได้ 

ตัวอย่าง
            กล่องใบหนึ่งมวล 1 กิโลกรัม วางอยู่บนพื้นที่มีความฝืดที่มีสัมประสิทธิ์ความเสียดทาน เท่ากับ 0.5 ถ้าออกแรงดึงขนาด 100 นิวตัน แล้วทำให้กล่องเคลื่อนที่ได้ระยะกระจัด 2 เมตร จงหา
ก. งานของแรงดึง
ข. งานของแรงเสียดทาน 

            วิธีทำ โจทย์กำหนด มวล m = 1 กิโลกรัม (kg) หรือ น้ำหนัก = 10 นิวตัน (N)
                        สัมประสิทธิ์ความเสียดทาน                                m          =             0.5
                        แรงดึง                                                                   F            =             100         นิวตัน (N)
                        ระยะกระจัด                                                          S            =               2         เมตร (m)
ก. หางานของแรงดึง
                        จากสูตร                                                                 W            =            F S                         ( เมื่อ F คือแรงดึง )
                        จะได้                                                                      W            =            100 N x 2 m       
                                                                                                                        =            200   J
                        ตอบ       งานของแรงดึง เท่ากับ  200  จูล

ข. หางานของแรงเสียดทาน
                        จากสูตร                                                                W           =             f S       ( เมื่อ f คือ แรงเสียดทาน และ f = m N )
                        จะได้                                                                     W           =             N x S
                                                                                                                      =             0.5 x 10 N x ( - 2 m )
                                                                                                                      =             -10 J
                        ตอบ   งานของแรงเสียดทาน เท่ากับ -10 จูล

     * ข้อสังเกต ระยะกระจัดมีเครื่องหมายเป็นลบ เพราะระยะกระจัดมีทิศตรงข้ามกับแรงเสียดทาน งานที่ได้จึงเป็นลบด้วยและ ค่าของ N = 10 นิวตัน เพราะ N คือ แรงปฏิกิริยาตั้งฉากซึ่งมีค่าเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ

                   

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน
            แรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัสจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ
                        1. แรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัส ถ้าแรงกดตัวฉากกับผิวสัมผัสมากจะเกิดแรงเสียดทานมาก ถ้าแรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัสน้อยจะเกิดแรงเสียดทานน้อย ดังรูป 

รูป ก แรงเสียดทานน้อย รูป ข แรงเสียดทานมาก

                       2. ลักษณะของผิวสัมผัส ถ้าผิวสัมผัสหยาบ ขรุขระจะเกิดแรงเสียดทานมาก ดังรูป ก ส่วนผิวสัมผัสเรียบลื่นจะเกิดแรงเสียดทานน้อยดังรูป ข

รูป ข แรงเสียดทานมาก รูป ข แรงเสียดทานน้อย

                        3. ชนิดของผิวสัมผัส เช่น คอนกรีตกับเหล็ก เหล็กกับไม้ จะเห็นว่าผิวสัมผัสแต่ละคู่ มีความหยาบ ขรุขระ หรือเรียบลื่น เป็นมันแตกต่างกัน ทำให้เกิดแรงเสียดทานไม่เท่ากัน

การลดแรงเสียดทาน
     การลดแรงเสียดทานสามารถทำได้หลายวิธีดังนี้
            1. การใช้น้ำมันหล่อลื่นหรือจาระบี
            2. การใช้ระบบลูกปืน
            3. การใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ตลับลูกปืน
            4. การออกแบบรูปร่างของยานพาหนะให้เพรียวลมทำให้ลดแรงเสียดทาน

การเพิ่มแรงเสียดทาน
การเพิ่มแรงเสียดทานในด้านความปลอดภัยของมนุษย์ เช่น
            1. ยางรถยนต์มีดอกยางเป็นลวดลาย มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน ดังรูป 

รูปแสดงยางรถยนต์ที่มีลวดลาย

            2. การหยุดรถต้องเพิ่มแรงเสียดทานที่เบรก เพื่อหยุดหรือทำให้รถแล่นช้าลง 
            3. รองเท้าบริเวณพื้นต้องมีลวดลาย เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานทำให้เวลาเดินไม่ลื่นหกล้มได้ง่าย ดังรูป 

รูปแสดงพื้นรองเท้าที่มีลวดลาย

            4. การปูพื้นห้องน้ำควรใช้กระเบื้องที่มีผิวขรุขระ เพื่อช่วยเพิ่มแรงเสียดทาน เวลาเปียกน้ำจะได้ไม่ลื่นล้ม ดังรูป 

รูปแสดงการปูพื้นด้วยกระเบื้องยาง

สมบัติของแรงเสียดทาน
            1. แรงเสียดทานมีค่าเป็นศูนย์ เมื่อวัตถุไม่มีแรงภายนอกมากระทำ
          2. ขณะที่มีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุ และวัตถุยังไม่เคลื่อนที่ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นมีขนาดต่างๆ กัน ตามขนาดของแรงที่มากระทำ และแรงเสียดทานที่มีค่ามากที่สุดคือ แรงเสียดทานสถิต เป็นแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่
            3. แรงเสียดทานมีทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ
            4. แรงเสียดทานสถิตมีค่าสูงกว่าแรงเสียดทานจลน์เล็กน้อย
          5. แรงเสียดทานจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับลักษณะของผิวสัมผัส ผิวสัมผัสหยาบหรือขรุขระจะมีแรงเสียดทานมากกว่าผิวเรียบและลื่น
            6. แรงเสียดทานขึ้นอยู่กับน้ำหนักหรือแรงกดของวัตถุที่กดลงบนพื้น ถ้าน้ำหนักหรือแรงกดมากแรงเสียดทานก็จะมากขึ้นด้วย
            7. แรงเสียดทานไม่ขึ้นอยู่กับขนาดหรือพื้นที่ของผิวสัมผัส

ประโยชน์ของแรงเสียดทาน
            1. ทำให้วัตถุหยุดนิ่งไม่เคลื่อนที่ เช่น ช่วยหยุดรถยนต์ที่กำลังเคลื่อนที่ ยางรถที่มีดอกยางช่วยให้รถ เกาะถนนได้ดี เป็นต้น
            2. การสร้างพื้นถนนต้องทำให้พื้นถรรเกิดแรงเสียดทานพอสมควร รถจึงจะเคลื่อนที่บนถนนโดยที่ล้อรถ ไม่หมุนอยู่กับที่ได้
            3. ช่วยในการหยิบจับสิ่งของโดยไม่ลื่นไหลไปมา
            4. ช่วยในการเดินไม่ให้ลื่นไหล

http://www.maceducation.com/e-knowledge/2432210100/16.htm