החיכוך הוא מושג שיש לו משמעויות הן בחיי היומיום והן בפיזיקה. המשמעויות הללו אינן זהות. בחיי יומיום אנו אומרים למשל על בן אדם ש"חיכך ידיו בהנאה"- כלומר שפשף את ידיו זו בזו לאות הנאה, אבל אנחנו גם עשויים לומר על אדם שהוא " חוכך בדעתו" או "מתחכך עם אנשים חשובים" וגם: "הקבוצה הזו מתאפיינת בחיכוכים רבים בין חבריה". בפיזיקה, החיכוך הוא סוג של כוח שבעזרתו מתארים ומסבירים את האינטראקציה (בכיוון המשיק) שבין משטחים צמודים הנעים זה לעומת זה או ה"מנסים" לנוע, כלומר נדחפים או נמשכים, זה יחסית לזה.
החיכוך הוא ביטוי מאקרוסקופי לכוחות התאחיזה בין המולקולות שעל פני שני המשטחים הצמודים. כוחות אלו גורמים לכך שקשה להניע את המשטחים הצמודים זה ביחס לזה וכאשר כבר מניעים אותם, הניתוק של המולקולות האחוזות זו בזו גורם לתנועתן ולחימום הגופים.
בעבר סברו שמקורו של כוח החיכוך בחספוס של שני המשטחים, מעין "שיני משור" המקשים על המשיכה של האחד ביחס לשני. אולם, מודל זה לא יכול להסביר מדוע מתחממים המשטחים המתחככים. היום, מקובל יותר המודל של ה"דביקות". כלומר, הטענה היא שכוח החיכוך נובע מכוחות בין מולקולריים הפועלים בין מולקולות של משטח אחד לבין מולקולות של משטח אחר. מדובר בכוחות לכידות (קוהזיה) ובכוחות תאחיזה (אדהזיה).
לחיכוך יש השלכות טכנולוגיות רבות ולמדע העוסק בחקר החיכוך השחיקה והשימון קוראים טריבולוגיה (Tribology)
החיכוך מתאר ומסביר תופעות ואינטראקציות רבות מאד בעולם הסובב אותנו. חיכוך קיים בדרך כלל, כאשר שני גופים נלחצים זה כלפי זה (כלומר פועל ביניהם כוח נורמלי). ניתן להסביר באמצעות כוח החיכוך תופעות כמו: חימום הנוצר משפשוף ידיים זו בזו, הצתתו של גפרור ששופשף בדופן קופסת הגפרורים, דחיפת חפצים על רצפה או על כביש, הליכה על כביש או על רצפה, נסיעה של כלי רכב על כביש, נגינה בכלי קשת, החלקה על קרח ועוד. ניתן באמצעות הבנת אופיו של כוח החיכוך לענות על שאלות כגון: מדוע יש סכנת החלקה גדולה יותר על כביש רטוב מאשר על כביש יבש? מדוע מוט המוצמד בכוח לשני קירות יכול להחזיק את וילון האמבטיה ואפילו את משאו של אדם הנתלה עליו? מדוע אין מצליחים לפתוח מכסה של צנצנת עם ידיים רטובות? מדוע נשחקים גלגלי מכוניות? מדוע משמנים צירים של דלתות? מדוע מנועים חשמליים מתחממים? ועוד ועוד.
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. אולם, חשוב להדגיש כי בהיעדר תפיסה מגובשת לגבי המושג כוח, המושג "כוח חיכוך" לא היה בשימוש עד לתקופות מאוחרות הרבה יותר.
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, עליהם הוסיף שארל-אוגוסטן דה קולון (Charles-Augustin de Coulomb) את חוקי החיכוך הקינטי בשנת 1785. לחוקרים חלוצים אלו לא היה מוכר המבנה המיקרוסקופי של החומר, ולכן ההסבר שלהם לתופעות החיכוך היה מבוסס על הרעיון של "שיני המשור". למרות זאת, נשארו החוקים שהם ניסחו שימושיים במקרים רבים (אך לא בכולם) עד היום.
כוח החיכוך "סובל" מיחסי ציבור גרועים והדימוי שלו הוא בדרך כלל כגורם מפריע לתנועה. לדוגמא: מאמר שהופיע בעיתון "גליליאו" בשנת 1994 והסוקר את המצאתו של חומר סיכה חדשני פותח במלים: "החיכוך הוא הגורם הראשון במעלה לאי היעילות של כל מכונה שהיא". עובדה זו נכונה, אבל זו אינה כל התמונה. אמנם יש תופעות שבהקשר אליהן אנחנו מעוניינים לצמצם את החיכוך עד למינימום, אך מנגד - ישנן תופעות שהחיכוך הוא חיוני להתרחשותן. למעשה, לא היינו יכולים לחיות בעולם ללא חיכוך, שכן בעולם כזה אי אפשר היה, למשל, להשתמש בגפרורים או במצית, אי אפשר היה לתלות מדפים או תמונות על קירות ואי אפשר היה ללכת או לנסוע במכונית (כפי שנראה בהמשך).
בפיזיקה מבחינים בין שני סוגי חיכוך: חיכוך קינטי וחיכוך סטטי.
חיכוך קינטי - הוא חיכוך הפועל בין שני משטחים הנעים זה יחסית לזה – מצב של החלקה (כמו בין אדם שגורר את הרגליים לרצפה כשהוא הולך, או בין הידיים שלנו כאשר אנחנו מחככים אותן זו בזו). גודלו של החיכוך הקינטי לגבי שני משטחים מסויימים הוא קבוע ואינו תלוי ( בקירוב טוב), במהירות התנועה היחסית של הגופים. החיכוך הקינטי גורם להעברה של אנרגיה קינטית לאנרגיה פנימית ולחימום של הגופים הבאים במגע זה עם זה. עליית הטמפרטורה של הגופים נובעת מעיוותים החלים בגופים בעת התנועה היחסית ביניהם והנובעים מהכוחות הפועלים בין המולקולות של פני המשטחים שלהם.
חיכוך סטטי - הוא חיכוך הפועל בין שני משטחים שאינם נעים זה יחסית לזה למרות שהם נדחפים (או נמשכים) זה ביחס לזה בכיוון אופקי. לדוגמא, כוח חיכוך סטטי פועל בין רגלי הכסא לרצפה כאשר אדם דוחף כסא והוא עוד לא זז, או בין אדם והרצפה כאשר האדם מפעיל את שריריו להתחלת התנועה. כאשר כסא עומד על הרצפה – אנחנו איננו אומרים שקיים כוח חיכוך בינו לבין הרצפה. אבל כאשר אדם מנסה לדחוף את הכסא או למשוך אותו – והוא עדיין אינו זז ועומד במקומו – אנחנו טוענים שקיים כוח חיכוך סטטי בינו לבין הרצפה. הוא הדין לגבי אדם המתחיל ללכת. כל זמן שהאדם עומד על הרצפה – אין בינו לבין הרצפה כוח חיכוך, ברגע שהוא מתחיל ללכת – אנחנו טוענים שקיים כוח חיכוך סטטי בינו לבין הרצפה משום שכף רגלו הנדחפת לאחור ביחס לרצפה אינה מחליקה עליה.
אנו זקוקים לכוח החיכוך הסטטי כדי לתאר, למשל, את העובדה שלמרות שכסא נדחף או נמשך – הוא אינו זז ממקומו. החוק הראשון של ניוטון טוען שאם שקול הכוחות על גוף הוא 0 – הגוף לא ישנה את מהירותו (כלומר, או שהוא לא ינוע או שהוא ינוע במהירות קבועה הן בגודלה והן בכיוונה). ניתן לנסח זאת בצורה הפוכה – אם גוף אינו משנה את מהירותו – סימן ששקול הכוחות עליו הוא 0. מהו מתאר הכוחות הפועלים על כסא הנדחף ע"י אדם ואינו זז ממקומו? במישור האנכי פועל עליו כלפי מטה כוח המשיכה של כדור הארץ שמאוזן ע"י הכוח הנורמלי שמפעילה עליו הרצפה כלפי מעלה ולכן הוא אינו משנה את מהירותו במישור האנכי. במישור האופקי – האדם מפעיל עליו כוח (המנסה להזיזו), ומאחר שהוא בכל זאת אינו זז ממקומו – הרי אנחנו חייבים לטעון (מנקודת המבט של החוק הראשון) כי הרצפה מפעילה עליו כוח שווה בכיוון הנגדי. כוח זה מכונה בשם כוח החיכוך הסטטי שבין הרצפה לכסא.
לכאורה, במבט ראשון נראה כוח זה כחיכוך קינטי שכן האדם מתקדם ביחס למשטח. אבל חשוב לשים לב שבהגדרה של חיכוך קינטי מדובר על מצב ששני משטחים נעים זה יחסית לזה אופקית - כלומר מצב של החלקה. כאשר אדם הולך על רצפה או כאשר מכונית נוסעת על כביש, משטחי הרגליים של האדם (או הגלגלים של המכונית) אינם נעים בתנועת החלקה בכיוון המשיק יחסית למשטח שעליו הם נעים ולכן החיכוך הזה מוגדר כחיכוך סטטי. כאשר גלגל מסתובב, בכל פעם נוגע בכביש חלק אחר של הגלגל. (ליתר דיוק, בעת התנועה, חלים גם במשטח וגם בגלגל עיוותים הנובעים מכך שיש בכל זאת מרכיב קינטי בחיכוך, כלומר, המשטחים נעים מעט זה יחסית לזה. אלמלא כן לא היו מתחממים הגלגלים).
במקורות אחדים כתוב כי החיכוך פועל תמיד נגד תנועת הגופים. דבר זה אינו מדויק: שני סוגי החיכוך, הסטטי והקינטי, עשויים לסייע לתנועה ולאפשר אותה (כלומר – לפעול בכיוון התנועה) או להתנגד לה (כלומר – לפעול בניגוד לתנועה). בכל מקרה, כיוונו של כוח החיכוך מנוגד לכיוון שבו נעים או "מנסים לנוע" המשטחים הבאים במגע זה ביחס לזה.
דוגמאות:
לפי המודל הקודם להסברת כוחות החיכוך – המודל של "שיני המשור"' - נהגו להסביר את השפעתו של נוזל סיכה בכך שהוא ממלא את השקעים והופך את המשטחים לחלקים יותר. כך, לפי מודל זה, קטנים כוחות החיכוך שבין המשטחים (נוזל הסיכה מקטין את "שיני המשור"). לפי המודל המקובל כיום - מודל ה"דביקות", נוזל הסיכה נצמד לשני המשטחים ומפריד ביניהם (גם אם הם חלקים) כך שהנעתם זה ביחס לזה צריכה להתגבר על הכוחות הבין-מולקולריים של הנוזל עצמו (כוחות קוהזיה) שהם קטנים בהרבה מהכוחות הבין מולקולריים שבין שני חומרים שונים (כוחות אדהזיה).
כאשר גוף עומד על הרצפה בלא שדוחפים אותו, אין כוח חיכוך בינו לבין הרצפה. כשדוחפים את הגוף והגוף עדיין לא נע כוח החיכוך בינו לבין הרצפה משתווה לכוח הדחיפה. ככל שמגדילים את כוח הדחיפה עולה בהדרגה כוח החיכוך הסטטי עד שהוא מגיע לגודלו המקסימלי והגוף מתחיל לנוע. מרגע זה החיכוך הופך מחיכוך סטטי לחיכוך קינטי. כוח החיכוך הקינטי כמעט שאינו תלוי במהירות ההחלקה והוא נשאר, בקירוב, קבוע בגודלו.
כיצד בא לידי ביטוי כוח החיכוך בתנועתה של מכונית - דוגמא (אחת מני רבות) לשימושיות של כוח החיכוך בהסברן של תופעות יומיומיות.
כאשר נהג המכונית מתניע את המנוע ולוחץ על דוושת הגז, מסובב מנוע המכונית את הציר שאליו מחוברים הגלגלים ואלו מתחילים להסתובב אף הם. כוח החיכוך הסטטי (במקרה שאין כלל החלקה של הצמיג) בין הגלגלים לבין הכביש גורם למכונית להתחיל לנוע. גם כאן, כמו בהליכה, כיוון סיבוב הגלגל ביחס לכביש הוא לאחור ולכן החיכוך מניע את המכונית לפנים.
מנוע המכונית אינו מזיז אותה אלא אחראי על סיבוב הגלגלים. הכוח המניע את המכונית הוא החיכוך. גם המנוע החזק ביותר לא יוכל להניע מכונית שאין חיכוך בין צמיגיה לבין הרצפה:
כאשר הנהג רוצה לבלום הוא לוחץ על דוושת הבלם ואז נוצר חיכוך קינטי בין הבלם לבין הגלגל המאט את תנועת הגלגל. כתוצאה מכך, קטנה מהירות הגלגל עד לעצירתו. לכל אורך התהליך החיכוך שפועל בין הגלגל לכביש הוא בעיקרו סטטי מאחר שהגלגל כמעט שאינו מחליק.
אם הנהג עוצר עצירת חרום, כלומר לוחץ על דוושת הבלם בחוזקה בבת אחת נוצר מצב המכונה "נעילת גלגלים": תנועת הסיבוב של הגלגל נעצרת בבת אחת. במצב כזה, הגלגל אינו ממשיך להתגלגל, והחיכוך הפועל בין הכביש לצמיג הוא חיכוך קינטי (הצמיג מחליק) המאט את תנועת המכונית. חיכוך זה קטן מהחיכוך הסטטי ולכן יעילותו בהקטנת מהירות המכונית היא פחותה יחסית. זו הסיבה לכך שממליצים לנהגים ללחוץ על הגלגל ולהרפות ("לפמפם") לסירוגין, בעיקר כאשר הכביש רטוב וחלק. בזמן ההרפיה- יפעל החיכוך הסטטי שהוא גדול מהחיכוך הקינטי וסיכוייה של המכונית לעצור הם גדולים יותר.
לא ולא. החיכוך קיים בכל שלשת מצבי הצבירה. נהוג לכנות את כוחות החיכוך הקשורים לתנועת גופים מוצקים בתוך נוזל או גז, או הכוחות הקשורים לתנועת גופים נוזלים וגזיים אלו יחסית לאלו בשם "כוחות גרר". במסמך זה לא נתייחס לכוחות אלו משום שבתנועה יחסית לנוזל או גז מעורבים היבטים רבים נוספים (למשל: היווצרותן של מערבולות) שהם מעבר להיקפו של המסמך.
גודלם של כוחות החיכוך תלוי במרבית המקרים בגודל הכוח הנורמלי הפועל בין שני המשטחים וכן בגורמים נוספים הנובעים ממאפייניהם של החומרים מהם עשויים המשטחים.
מניסויים רבים נמצא כי הנוסחה לחישוב כוח החיכוך הסטטי המקסימלי, והקינטי היא: F=µN כאשר F= כוח החיכוך; N = הכוח הנורמלי; µ = מקדם החיכוך בין שני המשטחים. יש מקדם מסוים לחיכוך הסטטי המקסימלי ויש מקדם אחר לחיכוך הקינטי (שהוא קטן בדרך כלל בערכו ממקדם החיכוך הסטטי). קשרים אלו נמצאו כבר על ידי חלוצי המחקר של החיכוך שהוזכרו קודם לכן, והם מתקיימים במקרים רבים. אנו נתיחס כאן רק לאותם מקרים. עם זאת, חשוב לציין כי קיימים גם מקרים בהם לא מתקיימים קשרים אלו כמו למשל כאשר מדובר בחומרים דביקים במיוחד כגון צלוטייפ או פלסטלינה.
מקדם החיכוך נקבע על ידי החומרים מהם עשויים שני המשטחים הבאים במגע והוא מיצג את טיב האינטראקציה המולקולרית ביניהם. כדי לקבוע את ערכו של מקדם החיכוך עבור שני משטחים א' וב' (היכולים להיות עשויים מאותו חומר או מחומרים שונים), מניחים את גוף א' על מישור ב' ומתחילים להרים את המישור עד להתחלת התנועה.
ככל שהזווית α גדולה יותר, גדול גם הטנגנס שלה. פירושו של דבר שאנו יכולים להרים את המישור האלכסוני בזווית גדולה יותר והגוף לא יחליק על המישור כלפי מטה – כי החיכוך ביניהם ימנע זאת.
כאשר החיכוך בין שני המישורים קטן – פירושו של דבר שכבר בזווית הטיה קטנה – הגוף יחליק על המישור כלפי מטה
דוגמאות לערכים של מקדמי החיכוך בין חומרים מוצקים - גודלם של מקדמי החיכוך הסטטי μS והקינטי μk של חומרים אחדים:
(מתוך הספר "מכניקה" מאת סירס וזימנסקי)
סוג החומר | מקדם החיכוך הסטטי μS | מקדם החיכוך הקינטי μk |
פלדה על פלדה | 0.74 | 0.57 |
אלומיניום על פלדה | 0.61 | 0.47 |
נחושת על פלדה | 0.53 | 0.36 |
פליז על פלדה | 0.51 | 0.44 |
אבץ על ברזל יציקה | 0.85 | 0.21 |
נחושת על ברזל יציקה | 1.05 | 0.29 |
זכוכית על זכוכית | 0.94 | 0.40 |
נחושת על זכוכית | 0.68 | 0.53 |
טפלון על טפלון | 0.04 | 0.04 |
טפלון על פלדה | 0.04 | 0.04 |
ישנן כמה הגדרות בפיזיקה למושג "כוח משמר". לענייננו נבחר בהגדרה: כוח יקרא משמר אם העבודה שהוא מבצע על גוף בתנועה תלויה אך ורק בנקודות הקצה של התנועה (ללא תלות במסלול שלאורכו פעל הכוח). נסתכל לדוגמא על התרשים המצורף, ונניח שהוא מתאר מסלול שבו נקודה 2 גבוהה יותר מנקודה 1. אם נעלה את הקובייה השחורה מנקודה 1 לנקודה 2 – הרי נבצע עבודה כנגד כוח הכובד. כאשר הקובייה תגיע לנקודה 2
נוכל לומר שהעבודה שבוצעה עליה גרמה לכך שיש לה בנקודה 2 אנרגיה פוטנציאלית יותר גבוהה מאשר זו שהיתה לה כאשר היתה בנקודה 1.
ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית בין הנקודות אינו תלוי בכלל במסלול שאותו עברה הקובייה (האם במסלול s1 או במסלול s2) – אלא רק בהפרשי הגובה בין שתי הנקודות ובמשקלה של הקוביה. לפיכך אומרים שכוח הכובד הוא כוח משמר. נניח כעת שהתרשים מתאר שני מסלולים על גבי שולחן אופקי. אם נתייחס לעבודה שיעשה כוח החיכוך הקינטי על הקובייה בכל אחד משני מסלולים אלו הרי ברור שבמסלול s2 כוח החיכוך יעשה עבודה גדולה יותר מאשר במסלול s1 (הקצר מ-s2), ולכן כוח החיכוך מכונה "כוח שאינו משמר". העבודה שיעשה כוח החיכוך בכל אחד משני מסלולים אלו תגרום להתחממות הן של הקובייה והן של המשטח ואם שני המסלולים זהים בתכונותיהם ונבדלים זה מזה רק באורכם – הרי ברור שבמסלול הארוך יותר מידת ההתחממות תהיה גדולה יותר.
לעתים אנו מעוניינים בהתחממות הנוצרת כתוצאה מהחיכוך (למשל כאשר מחככים גפרור בדפנות קופסת הגפרורים), ולעתים התחממות זו מפריעה ומזיקה (כמו למשל כאשר חלקים של מכונות מתחככים זה בזה).
מאמר זה פורסם בכתב העת "מוט"ב כעת", גיליון מספר 1, תשס"ח, 2008. כתב עת מקצועי זה מיועד למורי מוט"ב בבתיה"ס העל-יסודיים בארץ.
כתב העת הוא חלק מפעילות הנערכת במסגרת מרכז המורים הארצי למורי מוט"ב אשר פועל במחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים בטכניון בחיפה.