घर्षण (Friction)

अन्य प्रयोगों के लिए, घर्षण (बहुविकल्पी) देखें।

घर्षण वह बल है जो ठोस सतहों, तरल परतों, और भौतिक तत्वों के एक-दूसरे के विरुद्ध फिसलने की सापेक्ष गति का विरोध करता है। कई प्रकार के घर्षण होते हैं:

• शुष्क घर्षण एक ऐसा बल है जो संपर्क में दो ठोस सतहों के सापेक्ष पार्श्व गति का विरोध करता है। शुष्क घर्षण को गैर-गतिशील सतहों के बीच स्थैतिक घर्षण ("स्टिच") और चलती सतहों के बीच गतिज घर्षण में विभाजित किया जाता है। परमाणु या आणविक घर्षण के अपवाद के साथ, शुष्क घर्षण सामान्य रूप से सतह की विशेषताओं के संपर्क से उत्पन्न होता है, जिसे विषमता (चित्र 1 देखें) के रूप में जाना जाता है।
• द्रव घर्षण एक श्यान द्रव की परतों के बीच घर्षण का वर्णन करता है जो एक दूसरे के सापेक्ष गतिमान हैं।
• स्नेहक घर्षण द्रव घर्षण का स्थिति है जहां स्नेहक द्रव दो ठोस सतहों को अलग करता है।
• सतही घर्षण कर्षण (भौतिकी) का एक घटक है, बल एक निकाय की सतह पर तरल पदार्थ की गति का विरोध करता है।
• आंतरिक घर्षण एक ठोस पदार्थ बनाने वाले तत्वों के बीच गति का प्रतिरोध करने वाला बल है, जबकि यह विरूपण (यांत्रिकी) से गुजरता है।

EDIT जब संपर्क में सतह एक -दूसरे के सापेक्ष चलती हैं, तो दो सतहों के बीच घर्षण गतिज ऊर्जा को थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित करता है यानी, यह काम (भौतिकी) को गर्मी में परिवर्तित करता है। इस संपत्ति के नाटकीय परिणाम हो सकते हैं, जैसा कि आग शुरू करने के लिए लकड़ी के टुकड़ों को एक साथ रगड़कर घर्षण के उपयोग से सचित्र है। जब भी घर्षण के साथ गति होती है, तो काइनेटिक ऊर्जा को थर्मल ऊर्जा में बदल दिया जाता है, उदाहरण के लिए जब एक श्यान प्रवाह द्रव हिलाया जाता है। कई प्रकार के घर्षण का एक और महत्वपूर्ण परिणाम पहन सकता है, जिससे प्रदर्शन में गिरावट या घटकों को नुकसान हो सकता है। घर्षण जनजाति विज्ञान के विज्ञान का एक घटक है।

भूमि पर गति की सुविधा के लिए कर्षण (इंजीनियरिंग) की आपूर्ति में घर्षण वांछनीय और महत्वपूर्ण है। अधिकांश भूमि वाहन त्वरण, मंदी और बदलती दिशा के लिए घर्षण पर भरोसा करते हैं। कर्षण में अचानक कमी से नियंत्रण और दुर्घटनाओं का नुकसान हो सकता है।

घर्षण स्वयं एक मौलिक बल नहीं है। शुष्क घर्षण अंतर-सतह आसंजन, सतह खुरदरापन, सतह विरूपण और सतह संदूषण के संयोजन से उत्पन्न होता है। इन इंटरैक्शन की जटिलता पहले सिद्धांतों से घर्षण की गणना को अव्यवहारिक बनाती है और विश्लेषण के लिए अनुभवजन्य तरीकों के उपयोग और सिद्धांत के विकास की आवश्यकता होती है।

File:Friction Animation 2 Blocks.gif

दो वस्तुओं के बीच घर्षण। हरे रंग की तुलना में नीले रंग का समतल सतह के विपरीत अधिक घर्षण होता है।

घर्षण एक रूढ़िवादी बल है#नॉनकॉन्स्वेटिव फोर्सेस | गैर-रूढ़िवादी बल-घर्षण के विपरीत किया गया काम पथ पर निर्भर है। घर्षण की उपस्थिति में, कुछ गतिज ऊर्जा हमेशा थर्मल ऊर्जा में बदल जाती है, इसलिए यांत्रिक ऊर्जा का संरक्षण नहीं होता है।

इतिहास

अरस्तू, विट्रुवियस और प्लिनी द एल्डर सहित यूनानियों को घर्षण के कारण और शमन में रुचि थी। वे 350 में बताते हुए थेमिस्टियस के साथ स्थिर और गतिज घर्षण के बीच अंतर के बारे में जानते थे A.D. यह एक चलती निकाय की गति को आगे बढ़ाना आसान है, जो एक निकाय को आराम करने के लिए ले जाता है। स्लाइडिंग घर्षण के क्लासिक कानूनों की खोज 1493 में लियोनार्डो दा विंची द्वारा की गई थी, जो कि ट्राइबोलॉजी में अग्रणी हैं, लेकिन उनकी नोटबुक में प्रलेखित कानून प्रकाशित नहीं हुए और अज्ञात बने रहे। इन कानूनों को 1699 में गुइल्यूम एमोनॉन द्वारा फिर से खोजा गया था <रेफ नाम = पोपोवा 183-190>Popova, Elena; Popov, Valentin L. (2015-06-01). "The research works of Coulomb and Amontons and generalized laws of friction". Friction (in English). 3 (2): 183–190. doi:10.1007/s40544-015-0074-6.</ref> और सूखे घर्षण के तीन कानूनों के रूप में जाना जाता है।Amontons ने सतह की अनियमितताओं के संदर्भ में घर्षण की प्रकृति को प्रस्तुत किया और सतहों को एक साथ दबाने वाले वजन को बढ़ाने के लिए आवश्यक बल।यह दृश्य बर्नार्ड फॉरेस्ट डे बेलीडोर द्वारा और विस्तृत किया गया था रेफ> बर्नार्ड फॉरेस्ट डे बेलीडोर | फॉरेस्ट डे बेलीडोर, बर्नार्ड।]जर्मन भाषा) </ref> और लियोनहार्ड यूलर (1750), जिन्होंने एक झुकाव वाले विमान पर एक वजन के रेपोज़ के कोण को प्राप्त किया और पहले स्थैतिक और गतिज घर्षण के बीच प्रतिष्ठित किया। ref>"Leonhard Euler". Friction Module. Nano World. 2002. Archived from the original on 2011-05-07. Retrieved 2011-03-25.</ref> जॉन थियोफिलस डेसगुलियर्स (1734) ने पहले घर्षण में आसंजन की भूमिका को मान्यता दी। REF NAME = GOEDECKE>Goedecke, Andreas (2014). Transient Effects in Friction: Fractal Asperity Creep. Springer Science and Business Media. p. 3. ISBN 978-3709115060.</ref> माइक्रोस्कोपिक बल सतहों को एक साथ चिपकाने का कारण बनता है;उन्होंने प्रस्ताव दिया कि घर्षण का पालन करने वाली सतहों को फाड़ने के लिए आवश्यक बल था।

घर्षण की समझ आगे चार्ल्स-अगस्तिन डी कूलम्ब (1785) द्वारा विकसित की गई थी। <रेफ नाम = पोपोवा 183-190 /> कूलम्ब ने घर्षण पर चार मुख्य कारकों के प्रभाव की जांच की: संपर्क में पदार्थ की प्रकृति और उनकी सतह कोटिंग्स;सतह क्षेत्र की सीमा;सामान्य दबाव (या लोड);और समय की लंबाई कि सतहों के संपर्क में बनी रही (रिपोज का समय)।कूलम्ब ने आगे फिसलने वाले वेग, तापमान और आर्द्रता के प्रभाव पर विचार किया, ताकि प्रस्तावित घर्षण की प्रकृति पर विभिन्न स्पष्टीकरणों के बीच निर्णय लिया जा सके।स्थैतिक और गतिशील घर्षण के बीच का अंतर कूलम्ब के घर्षण कानून (नीचे देखें) में किया गया है, हालांकि यह अंतर पहले से ही 1758 में जोहान एंड्रियास वॉन सेगनर द्वारा तैयार किया गया था।रेपोज़ के समय के प्रभाव को पीटर वैन मुस्चेनब्रोकेक (1762) द्वारा रेशेदार पदार्थ की सतहों पर विचार करके, फाइबर मेशिंग के साथ एक साथ फाइबर के साथ समझाया गया था, जो एक परिमित समय लेता है जिसमें घर्षण बढ़ता है।

जॉन लेस्ली (भौतिक विज्ञानी) (1766-1832) ने अमोनॉन्स और कूलम्ब के विचारों में एक कमजोरी को नोट किया: यदि घर्षण एक वजन से उत्पन्न होता है जो क्रमिक एस्परिटी (पदार्थ विज्ञान) के झुकाव वाले विमान को तैयार करता है, तो यह क्यों नहीं होता है, यह अवरोही के माध्यम से संतुलित नहीं होता है।विपरीत ढलान?लेस्ली को देसीगुलियर्स द्वारा प्रस्तावित आसंजन की भूमिका के बारे में समान रूप से संदेह था, जो पूरे पर गति को मंद करने के लिए तेजी लाने के लिए समान प्रवृत्ति होनी चाहिए।लेस्ली के विचार में, घर्षण को चपटा होने की एक समय-निर्भर प्रक्रिया के रूप में देखा जाना चाहिए, नीचे की ओर दबाव डाला जाता है, जो पहले गुहाओं में नई बाधाएं पैदा करता है।

आर्थर जूल्स मोरिन (1833) ने स्लाइडिंग बनाम रोलिंग घर्षण की अवधारणा को विकसित किया।ओसबोर्न रेनॉल्ड्स (1866) ने श्यान प्रवाह के समीकरण को प्राप्त किया।इसने सामान्य रूप से आज इंजीनियरिंग में आज उपयोग किए जाने वाले घर्षण (स्थैतिक, गतिज और द्रव) के क्लासिक अनुभवजन्य मॉडल को पूरा किया।1877 में, फ्लेमिंग जेनकिन और जेम्स अल्फ्रेड इविंग | जे।ए। इविंग ने स्थैतिक और गतिज घर्षण के बीच निरंतरता की जांच की। 20 वीं शताब्दी के दौरान अनुसंधान का ध्यान घर्षण के पीछे भौतिक तंत्र को समझना है।फ्रैंक फिलिप बोडेन और डेविड टैबोर (1950) ने दिखाया कि, एक सूक्ष्म पैमाने पर, सतहों के बीच संपर्क का वास्तविक क्षेत्र स्पष्ट क्षेत्र का एक बहुत छोटा अंश है। संपर्क का यह वास्तविक क्षेत्र, दबाव के साथ बढ़ता है।परमाणु बल माइक्रोस्कोप (सीए 1986) के विकास ने वैज्ञानिकों को परमाणु इकाइयों में घर्षण का अध्ययन करने में सक्षम बनाया,यह दिखाते हुए कि, उस पैमाने पर, शुष्क घर्षण अंतर-सतह कतरनी तनाव और संपर्क क्षेत्र का उत्पाद है।ये दो खोजें एमोंटन के पहले कानून (नीचे) की व्याख्या करती हैं;शुष्क सतहों के बीच सामान्य बल और स्थिर घर्षण बल के बीच मैक्रोस्कोपिक आनुपातिकता।

सूखे घर्षण के नियम

स्लाइडिंग (काइनेटिक) घर्षण की प्राथमिक संपत्ति को 15 वीं से 18 वीं शताब्दी में प्रयोग द्वारा खोजा गया था और इसे तीन अनुभवजन्य कानूनों के रूप में व्यक्त किया गया था:

• गुइल्यूम अमॉन्टॉन्स#एमोनोन्स के घर्षण के नियम | एमोन्सोन्स का पहला कानून: घर्षण का बल सीधे लागू लोड के लिए आनुपातिक है।
• अमॉन्टन का दूसरा कानून: घर्षण का बल संपर्क के स्पष्ट क्षेत्र से स्वतंत्र है।
• कूलम्ब का कानून घर्षण: काइनेटिक घर्षण स्लाइडिंग वेग से स्वतंत्र है।

शुष्क घर्षण

शुष्क घर्षण संपर्क में दो ठोस सतहों के सापेक्ष पार्श्व गति का विरोध करता है।सूखे घर्षण के दो शासन गैर-मूविंग सतहों के बीच 'स्थिर घर्षण' (स्थिर) हैं, और चलती सतहों के बीच काइनेटिक घर्षण (कभी-कभी फिसलने वाले घर्षण या गतिशील घर्षण) कहा जाता है।

Coulomb घर्षण, जिसका नाम चार्ल्स-अगस्टिन डी कूलम्ब के नाम पर रखा गया है, एक अनुमानित मॉडल है जिसका उपयोग सूखे घर्षण के बल की गणना करने के लिए किया जाता है।यह मॉडल द्वारा शासित है:

$$F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },$$

कहाँ पे

• $F_{\mathrm {f} }$ दूसरे पर प्रत्येक सतह द्वारा घर्षण का बल है।यह सतह के समानांतर है, नेट लागू बल के विपरीत एक दिशा में।
• $\mu$ घर्षण का गुणांक है, जो संपर्क पदार्थ की एक अनुभवजन्य संपत्ति है,
• $F_{\mathrm {n} }$ सतह पर प्रत्येक सतह, निर्देशित लंबवत (सामान्य) पर प्रत्येक सतह द्वारा सामान्य बल है।

द कूलम्ब घर्षण $F_{\mathrm {f} }$ शून्य से कोई भी मूल्य ले सकता है $\mu F_{\mathrm {n} }$, और एक सतह के विपरीत घर्षण बल की दिशा उस गति के विपरीत है जो सतह घर्षण की अनुपस्थिति में अनुभव करेगी। इस प्रकार, स्थैतिक मामले में, घर्षण बल वास्तव में वही है जो सतहों के बीच गति को रोकने के लिए होना चाहिए; यह इस तरह की गति का कारण बनने के लिए शुद्ध बल को संतुलित करता है। इस मामले में, वास्तविक घर्षण बल का एक अनुमान प्रदान करने के बजाय, कूलम्ब सन्निकटन इस बल के लिए एक सीमा मूल्य प्रदान करता है, जिसके ऊपर गति शुरू होगी। इस अधिकतम बल को कर्षण (इंजीनियरिंग) के रूप में जाना जाता है।

घर्षण का बल हमेशा एक दिशा में लगाया जाता है जो दो सतहों के बीच आंदोलन (गतिज घर्षण के लिए) या संभावित आंदोलन (स्थैतिक घर्षण के लिए) का विरोध करता है। उदाहरण के लिए, बर्फ के साथ फिसलने वाला एक कर्लिंग पत्थर एक गतिज बल का अनुभव करता है जो इसे धीमा कर देता है। संभावित आंदोलन के एक उदाहरण के लिए, एक तेजी से कार के ड्राइव पहियों को आगे की ओर इशारा करते हुए एक घर्षण बल का अनुभव होता है; अगर वे नहीं करते, तो पहिए स्पिन करते, और रबर फुटपाथ के साथ पीछे की ओर स्लाइड करते। ध्यान दें कि यह उस वाहन के आंदोलन की दिशा नहीं है जो वे विरोध करते हैं, यह टायर और सड़क के बीच फिसलने (संभावित) की दिशा है।

सामान्य बल

File:Free body diagram2.svg

एक रैंप पर एक ब्लॉक के लिए फ्री-बॉडी आरेख।तीर यूक्लिडियन वेक्टर हैं जो बलों की दिशाओं और परिमाण का संकेत देते हैं।N सामान्य बल है, मिलीग्राम गुरुत्वाकर्षण का बल है, और एफ_fघर्षण का बल है।

Main article: Normal force

सामान्य बल को एक साथ दो समानांतर सतहों को संपीड