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 विसर्पण 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 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 पिंड 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।

जब संपर्क में सतह एक-दूसरे के सापेक्ष गति करती हैं, तो दो सतहों के बीच घर्षण गतिज ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में परिवर्तित करता है, अर्थात यह कार्य (भौतिकी) को ऊष्मा में परिवर्तित करता है। इस गुण के प्रभावशाली परिणाम हो सकते हैं, जैसा कि आग लगाने के लिए लकड़ी के टुकड़ों को आपस में घर्षण कर बनाए गए घर्षण के उपयोग से दिखाया गया है। जब भी घर्षण के साथ गति होती है, तो गतिज ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में बदल दिया जाता है, उदाहरण के लिए जब एक श्यान प्रवाह द्रव गति करता है। कई प्रकार के घर्षण का एक अन्य महत्वपूर्ण परिणाम घर्षण कर सकता है, जिससे प्रदर्शन में कमी या घटकों को हानि हो सकती है। घर्षण धातुश्रांतिकी के विज्ञान का एक घटक है।

भूमि पर गति की सुविधा के लिए कर्षण (अभियांत्रिकी) की आपूर्ति में घर्षण वांछनीय और महत्वपूर्ण है। अधिकांश भूमि वाहन त्वरण, आसान और बदलती दिशा के लिए घर्षण पर निर्भर करते हैं। कर्षण में अचानक कमी से नियंत्रण और दुर्घटनाओं का हानि हो सकती है।

घर्षण स्वयं एक मौलिक बल नहीं है। शुष्क घर्षण आंतरिक-सतह आसंजन, सतह कर्कशता, सतह विरूपण और सतह संदूषण के संयोजन से उत्पन्न होता है। इन अंतःक्रियाओं 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।

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

घर्षण एक गैर-संरक्षी बल-घर्षण के विपरीत किया गया कार्य पथ पर निर्भर करता है। घर्षण की उपस्थिति में, कुछ गतिज ऊर्जा सदैव तापीय 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 स्थिर और गतिज घर्षण के बीच के अंतर से अवगत थे, थेमिस्टियस ने 350 ईस्वी में कहा था कि "किसी गतिमान पिंड की गति को आगे बढ़ाना विराम की स्थिति में पिंड को स्थानांतरित करने की तुलना में आसान है"।

विसर्पण घर्षण के उत्कृष्ट नियमों की खोज 1493 में लियोनार्डो दा विंची द्वारा की गई थी, जो कि धातुश्रांतिकी में अग्रणी हैं, लेकिन उनकी नोटबुक में प्रलेखित नियम प्रकाशित नहीं हुए और अज्ञात बने रहे। इन नियमों को 1699 में गुइल्यूम एमोनॉन द्वारा पुनः खोजा गया था और उन्हें शुष्क घर्षण के एमोनॉन के तीन नियमों के रूप में जाना जाने लगा। एमोनॉन ने सतह की विसंगतियों के संदर्भ में घर्षण की प्रकृति और सतहों को एक साथ दबाने वाले भार को बढ़ाने के लिए आवश्यक बल प्रस्तुत किया। इस विचार को बर्नार्ड फ़ॉरेस्ट डे बेलिडोर और लियोनहार्ड यूलर (1750) द्वारा विस्तृत किया गया था, जिन्होंने एक आनत समतल पर भार के घर्षण-कोण को प्राप्त किया और सबसे पहले स्थैतिक और गतिज घर्षण के बीच अंतर किया। जॉन थियोफिलस डेसगुलियर्स (1734) ने सबसे पहले घर्षण में आसंजक की भूमिका को पहचाना। सूक्ष्म बल सतहों को आपस में आसंजन का कारण बनते हैं; उन्होंने प्रस्तावित किया कि घर्षण वह बल है जो संलग्न सतहों को अलग करने के लिए आवश्यक है।

घर्षण की समझ आगे चार्ल्स-अगस्तिन डी कूलम्ब (1785) द्वारा विकसित की गई थी। कूलम्ब ने घर्षण पर चार मुख्य कारकों के प्रभाव की जांच की, संपर्क में पदार्थ की प्रकृति और उनकी बहिस्तल लेपन सतह क्षेत्र की सीमा सामान्य दबाव (या भार) और सतहों के संपर्क में रहने की अवधि (प्रसुप्तावधि) होती है। प्रस्तावित घर्षण की प्रकृति पर विभिन्न स्पष्टीकरणों के बीच निर्णय लेने के लिए कूलम्ब ने विसर्पण वेग, तापमान और आर्द्रता के प्रभाव पर विचार किया कि स्थैतिक और गतिशील घर्षण के बीच का अंतर कूलम्ब के घर्षण नियम (नीचे देखें) में किया गया है, हालांकि यह अंतर पहले से ही 1758 में जोहान एंड्रियास वॉन सेगनर द्वारा तैयार किया गया था। जिसके प्रभाव को रेशेदार पदार्थों की सतहों पर विचार करके पीटर वैन मुस्चेनब्रोक (1762) द्वारा समझाया गया था, जिसमें तन्तु एक साथ जुड़ते हैं, जिसमें एक सीमित समय लगता है जिसमें घर्षण बढ़ता है।

जॉन लेस्ली (भौतिक विज्ञानी) (1766-1832) ने अमोनॉन्स और कूलम्ब के विचारों में एक दुर्बलता का उल्लेख किया: यदि घर्षण उत्तरोत्तर विषमताओं के आनत समतल के भार से उत्पन्न होता है, तो यह विपरीत समतल के निम्न होते हुए संतुलित क्यों नहीं होता है? डेसगुलियर्स द्वारा प्रस्तावित आसंजन की भूमिका के बारे में लेस्ली समान रूप से संदेहजनक था, जिसमें समग्र रूप से गति को मंद करने के लिए गति बढ़ाने की समान प्रवृत्ति होनी चाहिए। लेस्ली के विचार में, घर्षण को समतल होने की एक कालाश्रित प्रक्रिया के रूप में देखा जाना चाहिए, और नीचे की ओर दबाव डाला जाता है, जो पहले गुहाओं में नई बाधाएं उत्पन्न करता है।

आर्थर जूल्स मोरिन (1833) ने विसर्पण बनाम लोटनिक घर्षण की अवधारणा को विकसित किया। ओसबोर्न रेनॉल्ड्स (1866) ने श्यान प्रवाह के समीकरण को प्राप्त किया। इसने सामान्य रूप से आज अभियांत्रिकी में आज उपयोग किए जाने वाले घर्षण (स्थैतिक, गतिज और द्रव) के उत्कृष्ट अनुभवजन्य मॉडल को पूरा किया।1877 में, फ्लेमिंग जेनकिन और जेम्स अल्फ्रेड इविंग ने स्थैतिक और गतिज घर्षण के बीच निरंतरता की जांच की थी।

20 वीं शताब्दी के समय 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 सूक्ष्मदर्शी (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 आंतरिक-सतह अपरूपण प्रतिबल और संपर्क क्षेत्र का उत्पाद है। इन दो खोजों ने सामान्य बल और शुष्क सतहों के बीच स्थैतिक घर्षण बल के बीच स्थूल आनुपातिकता के बारे में एमोंटॉन के पहले नियम (नीचे) की व्याख्या की है।

शुष्क घर्षण के नियम

विसर्पण (गतिज) घर्षण की प्राथमिक गुण को 15 वीं से 18 वीं शताब्दी में प्रयोग द्वारा खोजा गया था और इसे तीन अनुभवजन्य नियमों के रूप में व्यक्त किया गया था:

• एमोन्टन्स का पहला नियम: घर्षण का बल प्रयुक्त भार के प्रत्यक्ष आनुपातिक होता है।
• एमोन्टन्स का दूसरा नियम: घर्षण बल संपर्क के आभासी क्षेत्र से स्वतंत्र होता है।
• कूलम्ब का घर्षण का नियम: गतिज घर्षण विसर्पण वेग से स्वतंत्र होता है।

शुष्क घर्षण

शुष्क घर्षण संपर्क में दो ठोस सतहों के सापेक्ष पार्श्व गति का विरोध करता है। शुष्क घर्षण के दो क्षेत्र गैर-गतिमान सतहों के बीच 'स्थिर घर्षण' (स्थिर) हैं, और गतिशील सतहों के बीच गतिज घर्षण (कभी-कभी विसर्पण वाले घर्षण या गतिशील घर्षण) कहा जाता है।

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

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

जहां पर

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

कूलम्ब घर्षण $F_{\mathrm {f} }$ शून्य से $\mu F_{\mathrm {n} }$ तक कोई भी मान ले सकता है, 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 स्थितियों में, घर्षण बल वास्तव में वही है जो सतहों के बीच गति को प्रतिबंधित करने के लिए होना चाहिए; यह इस तरह की गति का कारण बनने के लिए शुद्ध बल को संतुलित करता है। इस स्थितियों में, वास्तविक घर्षण बल का एक अनुमान प्रदान करने के अतिरिक्त, कूलम्ब सन्निकटन इस बल के लिए एक सीमा मान प्रदान करता है, जिसके ऊपर गति प्रारंभ होगी। इस अधिकतम बल को कर्षण (अभियांत्रिकी) के रूप में जाना जाता है।

घर्षण का बल सदैव एक दिशा में लगाया जाता है जो दो सतहों के बीच संचलन (गतिज घर्षण के लिए) या विभव संचलन (स्थैतिक घर्षण के लिए) का विरोध करता है। उदाहरण के लिए, बर्फ के साथ विसर्पण वाला एक कुंचन पत्थर एक गतिज बल का अनुभव करता है जो इसे मंद कर देता है। विभव संचलन के एक उदाहरण के लिए, एक तेजी से कार के परिचालन पहियों को आगे की ओर संकेत करते हुए एक घर्षण बल का अनुभव होता है; यदि वे नहीं करते है, तो पहिए घूम जाते, और रबर पथ के साथ पीछे की ओर विसर्पण हो जाता है। ध्यान दें कि यह उस वाहन के संचलन की दिशा नहीं है जो वे विरोध करते हैं, यह पहिया और सड़क के बीच विसर्पण (विभव) की दिशा है।

सामान्य बल

एक प्रवण पर एक पिण्डक के लिए बल निर्देशक आरेख। तीर यूक्लिडियन सदिश हैं जो बलों की दिशाओं और परिमाण का संकेत देते हैं। N सामान्य बल है, मिलीग्राम गुरुत्वाकर्षण का बल है, और F_f घर्षण का बल है।

Main article: सामान्य बल

सामान्य बल को एक साथ दो समानांतर सतहों को संपीड़ित करने वाले शुद्ध बल के रूप में परिभाषित किया गया है, और इसकी दिशा सतहों के लंबवत है।एक क्षैतिज सतह पर विराम करने वाले द्रव्यमान के साधारण स्थितियों में, सामान्य बल का एकमात्र घटक गुरुत्वाकर्षण के कारण बल है, जहां $N=mg\,$ होता है। इस स्थितियों में, संतुलन की शर्तें हमें बताती हैं कि घर्षण बल की परिणाम $F_{f}=0$