แรงเสียดทาน

แรงเสียดทาน หรือ ความเสียดทาน (อังกฤษ: friction) เป็นแรงที่ต้านการเคลื่อนที่เชิงสัมพัทธ์ของพื้นผิวที่เป็นแข็ง ชั้นของเหลว และองค์ประกอบของวัตถุที่ไถลในทิศทางตรงกันข้ามซึ่งกันและกัน^[1] แรงเสียดทานแบ่งได้หลายประเภท ได้แก่

• แรงเสียดทานชนิดแห้ง ต้านการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของพื้นผิวของของแข็งที่สัมผัสกัน แรงเสียดทานชนิดแห้งแบ่งออกเป็น แรงเสียดทานสถิต ระหว่างพื้นผิวที่ไม่มีการเคลื่อนที่ และ แรงเสียดทานจลน์ ระหว่างพื้นผิวที่กำลังเคลื่อนที่

• แรงเสียดทานในของไหล อธิบายแรงเสียดทานระหว่างชั้นของของไหลที่มีความหนืด ซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์ซึ่งกันและกัน^[2][3]

• แรงเสียดทานหล่อลื่น เป็นกรณีของแรงเสียดทานในของไหล ที่มีสารหล่อลื่นแทรกระหว่างสองพื้นผิวที่เป็นของแข็ง^[4][5][6]

• แรงเสียดทานที่ผิว เป็นองค์ประกอบของแรงต้าน แรงต่อต้านการเคลื่อนที่โดยของไหลเข้าไปขวางบนทั่วทั้งพื้นผิวของวัตถุ

• แรงเสียดทานภายใน เป็นแรงที่ต้านการเคลื่อนที่ระหว่างส่วนประกอบต่าง ๆ ภายในที่ทำขึ้นเป็นวัตถุที่เป็นของแข็ง ขณะที่วัตถุนั้นเกิดการเปลี่ยนรูป^[3]

ภาพรวม

แรงเสียดทาน คือแรงที่ต้านการเคลื่อนที่เชิงสัมพัทธ์ หรือแนวโน้มของการเคลื่อนที่ดังกล่าว ของพื้นผิวสองอย่างที่สัมผัสกัน มักจะเกิดตรงข้ามกับแรงที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่เสมอ ผิวหน้าสัมผัส จึงช่วยลดแรงเสียดทานได้

โดยขนาดของแรงเสียดทานจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับ

• แรงหรือน้ำหนักที่กดลงไปบนพื้นผิวสัมผัส ซึ่งแรงนี้จะตั้งฉากกับผิวสัมผัส ถ้าแรงกดทับนี้มาก แรงเสียดทานก็จะมีค่ามากด้วย
• ลักษณะของผิวสัมผัสนั้น ๆ ถ้าผิวสัมผัสนั้นเรียบลื่น แรงเสียดทานก็จะมีค่าน้อย ถ้าผิวสัมผัสหยาบหรือขรุขระ แรงเสียดทานก็จะมีค่ามาก

ลักษณะของแรงเสียดทาน

1.แรงเสียดทานนั้นไม่ขึ้นกับจำนวนพื้นที่ผิวสัมผัส

2.แรงเสียดทานนั้นไม่ขึ้นกับความเร็วที่วัตถุเคลื่อนที่ และยังมีทิศตรงข้ามการเคลื่อนที่ของวัตถุ

3.แรงเสียดทานขึ้นอยู่กับแรงที่วัตถุกดพื้นในแนวที่ตั้งฉากหรือแรงปฏิกิริยาของพื้นในแนวที่ตั้งฉาก

4.แรงเสียดทานขึ้นกับพื้นผิวสัมผัส เช่น เรียบหรือขรุขระ

ชนิดของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานแบ่งได้ 2 ชนิด คือ

• แรงเสียดทานสถิต (static friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่มีแรงมากระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุยังอยู่นิ่งกับที่ ซึ่งจะมีค่าตั้งแต่ศูนย์จนถึงค่ามากที่สุด ซึ่งค่าที่มากที่สุดจะเกิดขณะที่วัตถุเริ่มจะเคลื่อนที่
• แรงเสียดทานจลน์ (kinetic friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นในขณะที่มีแรงมากระทำต่อวัตถุแล้ววัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ โดยแรงเสียดทานจลน์จะมีค่าน้อยกว่าแรงเสียดทานสถิต

การลดแรงเสียดทาน

• การใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ล้อ บุช และตลับลูกปืน
  • ล้อ เป็นสิ่งจำเป็นมากสำหรับยานพาหนะทางบก เพราะสามารถลดแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส
  • บุช เป็นโลหะทรงกระบอกกลวง ผิวเรียบ ลื่นทั้งสองด้าน
  • ตลับลูกปืน ลักษณะเป็นลูกเหล็กกลมอยู่ในเบ้าที่รองรับ ผวเรียบลื่นและกลิ้งได้ ทำให้วงแหวนทั้งสองหมุนได้รอบตัว เครื่องจักรแทบทุกชนิดจะต้องมีตลับลูกปืนใส่ในแกนหมุนของเครื่องยนต์
• การใช้น้ำมันหล่อลื่นบริเวณข้อต่อ จุดหมุน และผิวหน้าสัมผัสต่าง ๆ
• การลดแรงกดระหว่างผิวสัมผัส เช่น ลดจำนวนสิ่งของที่บรรทุกให้น้อยลง ทำให้การลากวัตถุให้เคลื่อนที่ด้วยแรงดึงน้อยลง

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

ข้อดีของแรงเสียดทาน

แม้ว่าแรงเสียดทานจะทาให้สิ้นเปลืองพลังงานมากในการทำให้วัตถุเคลื่อนที่ แต่ในบางกรณีแรงเสียดทานก็มีประโยชน์ต่อการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ เช่น

• ขณะที่รถแล่น จะต้องมีแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน เพื่อทำให้รถเคลื่อนที่ไปได้ตามทิศทางที่ต้องการ
• ยางรถยนต์ที่จำเป็นต้องมีดอกยางเป็นลวดลาย เพื่อรีดน้ำขณะพื้นผิวเปียกไม่ให้คั่นระหว่างผิวสัมผัสระหว่างถนนกับยางจนทำให้แรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนนหายไปจนลื่น
• ขณะหยุดรถหรือเบรกให้รถหยุดหรือแล่นช้าลง จะต้องเกิดแรงเสียดทาน เพื่อทำให้ล้อหยุดหมุนหรือหมุนช้าลง

ข้อเสียของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานทำให้วัตถุเคลื่อนที่ช้า จึงต้องใช้แรงมากขึ้นเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมาก

การเพิ่มและลดแรงเสียดทาน

การลดแรงเสียดทาน ทำได้หลายวิธี ดังนี้

1. การใช้อุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ล้อ บุช และตลับลูกปืน

• ล้อ เป็นสิ่งจำเป็นมากสำหรับยานพาหนะทางบก เพราะสามารถลดแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส
• บุช เป็นโลหะทรงกระบอกกลวง ผิวเรียบ ลื่นทั้งสองด้าน
• ตลับลูกปืน ลักษณะเป็นลูกเหล็กกลมอยู่ในเบ้าที่รองรับ ผิวเรียบลื่นและกลิ้งได้ ทำให้วงแหวนทั้งสองหมุนได้รอบตัว เครื่องจักรแทบทุกชนิดจะต้องมีตลับลูกปืนใส่ในแกนหมุนของเครื่องยนต์

2. การใช้น้ำมันหล่อลื่นบริเวณข้อต่อ จุดหมุน และผิวหน้าสัมผัสต่าง ๆ

3. การลดแรงกดระหว่างผิวสัมผัส เช่น ลดจำนวนสิ่งของที่บรรทุกให้น้อยลง ทาให้การลากวัตถุให้เคลื่อนที่ด้วยแรงดึงน้อยลง

4. การทำให้ผิวสัมผัสเรียบลื่น เช่น การใช้ถุงพลาสติกหุ้มถุงทราย พื้นถนนที่เปียกจะลื่นกว่าพื้นถนนที่แห้ง

การเพิ่มแรงเสียดทาน

แม้ว่าแรงเสียดทานจะทาให้สิ้นเปลืองพลังงานมากในการทำให้วัตถุเคลื่อนที่ แต่ในบางกรณีแรงเสียดทานก็มีประโยชน์ต่อการเคลื่อนที่ของยานพาหนะ เช่น

1. ขณะที่รถแล่น จะต้องมีแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน เพื่อทำให้รถเคลื่อนที่ไปได้ตามทิศทางที่ต้องการ

2. ยางรถยนต์ที่จำเป็นต้องมีดอกยางเป็นลวดลาย เพื่อรีดน้ำขณะพื้นผิวเปียกไม่ให้คั่นระหว่างผิวสัมผัสระหว่างถนนกับยางจนทำให้แรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนนหายไปจนลื่น

3. ขณะหยุดรถหรือเบรกให้รถหยุดหรือแล่นช้าลง จะต้องเกิดแรงเสียดทาน เพื่อทำให้ล้อหยุดหมุนหรือหมุนช้าลง

4. การเดิน การวิ่ง ต้องการแรงเสียดทานมาช่วยในการเคลื่อนที่ ดังนั้น จึงควรใส่รองเท้าพื้นยาง ไม่ควรใส่รองเท้าพื้นไม้ เพราะรองเท้าพื้นยางให้แรงเสียดทานกับพื้นทางเดินได้มากกว่าพื้นรองเท้าที่เป็นไม้ ทำให้เดินได้ง่ายกว่าและเร็วกว่าโดยไม่ลื่นไถล นอกจากนี้พื้นรองเท้าต้องมีลวดลาย เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัส

อ้างอิง

1. http://www.merriam-webster.com/dictionary/friction
2. Beer, Ferdinand P.; E. Russel Johnston, Jr. (1996). Vector Mechanics for Engineers (Sixth ed.). McGraw-Hill. p. 397. ISBN 0-07-297688-8.
3. Meriam, J. L.; L. G. Kraige (2002). Engineering Mechanics (fifth ed.). John Wiley & Sons. p. 328. ISBN 0-471-60293-0.
4. Ruina, Andy; Rudra Pratap (2002). Introduction to Statics and Dynamics (PDF). Oxford University Press. p. 713.
5. Hibbeler, R. C. (2007). Engineering Mechanics (Eleventh ed.). Pearson, Prentice Hall. p. 393. ISBN 0-13-127146-6.
6. Soutas-Little, Robert W.; Inman, Balint (2008). Engineering Mechanics. Thomson. p. 329. ISBN 0-495-29610-4.

แหล่งข้อมูลอื่น

• Static friction