החיכוך- אי אפשר אתו אך אי אפשר בלעדיו. העוצמה ההנדסית טמונה בשליטה בחיכוך ובמקדם החיכוך

בהנדסת מכונות, כשאנחנו מתכננים, מייצרים או מתחזקים- במסוב, באטימה, בהעברת תנועה וכוח, אנחנו מעוניינים שהחיכוך יהיה מינימאלי, שלא יגרום להפסדי אנרגיה, אך בחיבורי ברגים, בהרכבות לחץ, במצמדים ובמעצורים, אנחנו חייבים את החיכוך. ללא החיכוך, כלי רכב לא יוכלו להתחיל תנועה ולא להפסיקה, לא רק בשיפועים, אלא גם במישור. אנחנו לא נוכל להלך או לעצור הליכה, בתים על כלונסאות ישקעו, כל הברגים בעולם ישתחררו ולא נוכל לכרסם או לקדוח במחזיקי כלים המבוססים על קונוס (מורס). ללא חיכוך לא נוכל לטוס או לצנוח, ולא להשתמש בגיר האוטומטי או במצמד של הגיר הידני ולא יהיה לנו את אפקט הכליבה (ראה המאמר)

את החיכוך אנחנו מבטאים בעזרת מקדם החיכוך. מקדם החיכוך הינו מספר (ללא ממדים) המבטא את היחס שבין הכח הדרוש כדי לייצר או לשמר תנועה בין שני גופים צמודים, והכוח הניצב המהדק את הגופים זה לזה.
במקרה של מצב התחלתי סטטי, מקדם החיכוך יכונה מקדם חיכוך סטטי  מקדם חיכוך סטטי  (µs).

במקרה ויש לנו תנועה בין הגופים, יהיה זה מקדם חיכוך דינאמי (קינטי)  מקדם חיכוך סטטי     (µk) .

מקדם החיכוך הדינאמי, קטן ממקדם החיכוך הסטטי, לכן, כדי להתחיל לדחוף ולהניע ארון או מקרר, יש צורך בכוח גדול. ברגע שהתחילה התנועה, כדי לשמר אותה, יש צורך בכוח קטן יותר, ואם לא נקטין את הכח של הדחיפה, הכח שהפעלנו על הארון יגרום לתאוצה גדולה יותר והארון “יברח” לנו ואנחנו עלולים לאבד שיווי משקל ולנפול.
מקדם החיכוך תלוי בתכונות שני החומרים מהם עשויים הגופים המתחככים (קושי, אלסטיות, דיפוזיה) וטיב השטח שלהם.
לכל צמד גופים יש מקדמי חיכוך (הדדי) משותף. את המקדם אפשר לקבוע רק בניסוי.
החיכוך תלוי במקדם החיכוך ובכוח הניצב (הנורמלי) המהדק את שני הגופים זה לזה.
החיכוך אינו תלוי בגודל שטח המגע בין הגופים.
החיכוך הדינאמי (קינטי) אינו תלוי במהירות התנועה היחסית בין הגופים.

מקדם החיכוך כן תלוי בטמפ’. חימום בד”כ יקטין את מקדם החיכוך. דוגמא מצוינת נמצא בחימום המעצורים של רכב בשימוש מופרז בירידה שגורם לאובדן ה”מעצורים” (לא לנסות בבית!!)
אם מעורב בחיכוך חומר שלישי (אבקה, נוזל או משחה) מקדם החיכוך ישתנה (בד”כ יקטן משמעותית).

הערה: בדיון הנכחי ההנחה היא שהכוחות הם קטנים עד בינוניים כלומר הלחץ המתפתח בין הגופים רחוק מכניעה ודפורמציה.

הערכים הנפוצים למקדם החיכוך הם בין אפס ליחידה

      ערכי מקדם החיכוך 

אם כי המקדם יכול שיהיה גדול מאחד (מקדם החיכוך בין גומי ובטון)

 

כללי אצבע שימושיים:
ערכים מקובלים לחיכוך סטטי בין מתכות בד”כ יהיו סביב        0.4-0.3

         לחיכוך דינאמי                                          0.2
למסבי החלקה (מסתובבים או ליניאריים)              0.05  עד 0.1
למסבים עם חלקים מתגלגלים                          0.01 ואף פחות
מתכות מחוספסות                                               0.5 עד 0.8
כשמעורב גומי (אלסטומר) מקדם החיכוך בסביבות היחידה      1

 

רצופות בזה טבלאות להתרשמותכם. זכרו שבמקומות אחרים אתם יכולים למצוא נתונים שונים. שימו לב שאין ציון של תנאי הניסוי שיכולים להשפיע על המקדמים. דוגמא: לא צוין טיב השטח:

מקדמי חיכוך לפלדה וחומר נוסף

מקדמי חיכוך לצמדים שונים

הטבלאות לקוחות מתוך: Machinery’s Hand Book  מהדורה 23

 

דוגמא: מתי תיווצר נעילה עצמית בבורג

חישובי חיכוך

 כדי שתתחיל תנועה הכרח ש   tgα יהיה   גדול ממקדם החיכוך

וכבר נציין שאם התחילה תנועה, מקדם החיכוך הסטטי מפנה את מקומו במשואה למקדם הדינאמי שהוא קטן יותר, ולכן ההחלקה תמשך- אבל לזה נגיע בהמשך.

בעזרת הנוסחה הנ”ל נוכל למצוא את הפסיעה המקסימלית שתבטיח נעילה עצמית בבורג נתון:

נעילה עצמית בתבריג

המסקנה: כל עוד מקדם החיכוך בין הבורג לאום, גדול (או שווה)     מ    tgα  

תהיה נעילה עצמית (אי אפשר לסובב את הבורג ע”י דחיפה של האום בציר הבורג)

נניח מקדם החיכוך 0.3,        בורג  M10  ישתחרר אם הפסיעה שלו גדולה מ 9.5 מ”מ

                                         בורג    M6   בעל פסיעה גדולה מ 5.7  מ”מ   לא ינעל לעולם!

ואם מקדם החיכוך הוא 0.5,     בורג  M10  עם פסיעה גדולה מ 15.7 לא ינעל- מוזמנים לבדוק את החישובים שלי

                                            אך בורג עם פסיעה 10 מ”מ ינעל! (אנחנו משתמשים בד”כ בפסיעה 1.75 כך שיש נעילה).

יופי!

רגע…

מקדם החיכוך שווה לטנגנס הזווית

אז מה בעצם כתוב פה?

המשואה הזו פותחה משיווי משקל. והיא אומרת, שכל עוד השוויון מתקיים, לא יהיה שינוי מצב (זוכרים: ניוטון מספר 1..)

זה אומר, שאם אנחנו בתנועה, התנועה תמשך, ואם אנחנו במנוחה, המנוחה תתקיים.

ויש עוד:

נתבונן בגוף שמונח על המשטח המשופע. הוא במנוחה. למרות השיפוע.

נגדיל את השיפוע. הזווית אלפא גדלה. כידוע גם ה TAN שלה גדל. גם ה SIN  גדל, ולכן גם F גדל. זה אומר שהכוח שמושך את הגוף במורד השיפוע גדל, עד לרגע ש tgα  משתווה ועובר את הערך של מקדם החיכוך. או אז נקבל תנועה של הגוף במורד השיפוע כשהכוחות סביבו כמעט בשיווי משקל ( F גדול מ Ff   בשיעור אינפיניטסימלי). אם קיים שוויון כוחות אז המהירות קבועה!

אז זהו, שלא!

נא לא לשכוח שמקדם החיכוך הסטטי גדול ממקדם החיכוך הדינמי. וזה אומר שעם תחילת התנועה  Ff  קטן! ו 30% הוא ערך מקובל (מקדם חיכוך דינמי 0.2 לעומת מקדם חיכוך סטטי 0.3 בהחלט מציאותי). על הסיבות לשינוי במקדם זה, נדבר בהזדמנות אחרת.

בקיצור, F גדול משמעותית מ  Ff   וזה אומר שהגוף ילך ויאיץ בירידה, למרות שזווית השיפוע נשארת קבועה קרוב מאד לערך שיווי המשקל.

היכן אנחנו נתקלים בתופעה בחיי היומיום?

תארו לעצמכם שאתם מנסים להזיז רהיט כבד. ספה או ארון:

חיכוך

נסיתם לדחוף. הספה לא זזה. הגברתם את הכוח, והגברתם את הכוח עד שלפתע הספה התחילה לנוע. אך התנועה היתה “מתפרצת”. איך שהספה התחילה לזוז, היא “בורחת” מכם. ואם לא צפתם לזה מראש, ולא התכוננתם להפחית את הכוח, אתם עלולים להשתטח אפים ארצה, או שהספה “תברח” מכם, ותעצור. ושוב יתחיל הסיפור מבראשית. קשה מאד, לאחר שמתחילה התנועה, להמשיך ברצף.

וזאת מדוע?

עכשיו אנחנו יודעים: כי מקדם החיכוך הסטטי והדינמי מחליפים מקום בנוסחה ולבקרה (אפילו גוף האדם) קשה להתאים את הכוח הדוחף לשינוי במהירות גדולה כל כך.

נחזיר לרגע את הדיון לבורג ואום. אם מסיבה כל שהיא, בחיבור ע”י בורג דרוך, התפתח כוח שהצליח לסובב את הבורג (או האום) בכיוון הפתיחה, משמע שהכוח התגבר על מקדם החיכוך הסטטי, והמערכת עברה לשימוש במקדם חיכוך דינמי, נמוך יותר- זוכרים?, אם הכוח ימשיך, אין מה שיעצור עכשיו את הבורג מלהשתחרר לגמרי! וגם אם הכוח יפסיק, תנועת הסיבוב תפסק, ומקדם החיכוך הסטטי ישוב למערכת. הבורג השתחרר מעט מהדריכה שלו, והפעם יידרש כבר כוח פתיחה נמוך יותר….. וחוזר חלילה. זאת הסיבה שכשבורג במערכת מתחיל להשתחרר, סיכויים טובים שהחיבור יכשל!

דוגמה נוספת: בוכנה פניאומטית שמנסים להאט את מהירותה למינימום, ע”י הכנסת צמצם בקו הכנסת האויר. תנועת הבוכנה הופכת למקוטעת. לא רציפה:

חיכוך בצילינדר פניאומטי

וכדי לא להישאר סקרנים, אז הפתרון לבעיה יהיה ע”י הרכבת הצמצם על פתח היציאה של המערכת:

פתרון לחיכוך בתוך בוכנה פניאומטית

במבנה כזה, שולטים בתנועה והיא חלקה גם אם המהירות איטית ביותר.

על ההסבר נדבר במסגרת הפניאומטיקה.

 

לסיכום: 

  1. בין שני גופים במגע, קיים תמיד חיכוך (כותרת ברמה 4)

  2. לפעמים צריכים את החיכוך, לפעמים רוצים להקטינו (אי אפשר להעלים את החיכוך לגמרי)

  3. החיכוך מבוטא בעזרת מקדם החיכוך

  4. מקדם החיכוך תלוי בחומרים של צמד הגופים המתחככים ובטיב השטח

  5. כוח החיכוך אינו תלוי בגודל השטח המתחכך

  6. בעזרת הבנת החיכוך ומקדם החיכוך, אנו יכולים להסביר תופעות כגון מדוע בורג דרוך, שהתחיל להשתחרר, ימשיך להשתחרר והחיבור יכשל בסופו של דבר.

 

עכשיו תורכם  

עד כאן הצגתי בפניכם את חשיבות החיכוך. כדי לשלוט בחיכוך, כדאי להבין מהו, וכיצד מכניסים אותו לנוסחאות. עתה הבמה כולה שלכם. מה תוכלו להוסיף מניסיונכם? על איזה מקרה כשל עקב שימוש לא נכון בחיכוך הייתם רוצים לספר לנו? אנא שתפו אותנו פה למטה, בתגובות, כדי שכולנו נלמד ונצמח ביחד.

הצעד הבא שלכם להצלחה

אהבתם? שתפו את המאמר עם חברים וקולגות. רוצים לקבל ממני עוד הרבה טיפים מועילים, עקרונות מנחים והדרכה מעשית בנושאים שונים ומגוונים בהנדסת מכונות? במיוחד בשבילכם כתבתי את מדריך הבזק “הנדסה בחקירה” ובו ניתוח עומק של 7 כשלי תכנון בסיסיים שהובילו לאסונות ענק. להורדת המדריך במתנה ממני ולגמרי בחינם – לוחצים כאן.

אודות משה קלמן

אינג' משה קלמן, בוגר לימודי הנדסת מכונות בטכניון במגמת אנרגיה, ובעל תואר שני במנהל עסקים, מהאוניברסיטה העברית בירושלים, מביא אתו ניסיון עשיר של כ-40 שנה בתחומי הנדסה שונים ומגוונים. את הניסיון העצום שצבר, יצק לתוך מגוון תכניות הדרכה למהנדסים בהתאמה לצורכי הארגון.

להורדה בחינם של מדריך הבזק "הנדסה בחקירה" שבו אסף דוגמאות של כשלים קטסטרופליים שנבעו מהזנחה של עקרונות הנדסיים בסיסים – לחצו על הקישור "כן, אני רוצה ללמוד מניסיונם של אחרים"

תגובה אחת

  1. איתם הגב

    מעניין
    תודה

השארת תגובה