علم الاحتكاك

علم الإحتكاك إنگليزية: Tribology هو العلم الذي يهتم بدراسة السطوح المتلامسة في حركتها النسبية والمواضيع المتعلقة بهذا الاحتكاك، من تآكل وعمليات تزييت وتشحيم. كلمة Tribology تم صياغتها للمرة الأولى عام 1966 من الكلمة اليونانية Tribos وتعني "الفرك" أو "الحك"، وعليه فإن المعنى الحرفي للكلمة قد يكون "علم الفرك".

A typical Stribeck curve obtained by Martens

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تاريخ علم الإحتكاك

Tribological experiments suggested by Leonardo da Vinci

من المعروف أن الأدوات التي كانت تستخدم في العصر الحجري من أجل حفر الحفر أو توليد النار كانت تزود بنوع من المدحرجات التي كانت تصنع من عظام أو قرون الحيوانات وكانت تشبه إلى حد ما المدحرجات المستخدمة اليوم تظهر الوثائق تاريخ استخدام العجلات إلى الفترة حوالي 3500 قبل الميلاد، مما يظهر اهتمام الناس في الماضي إلى تقليل الاحتكاك في حركة النقل. لقد تطلب نقل حجارة البناء الضخمة معرفة في الاحتكاك واستخدام السكك المنزلقة بالماء. تظهر أحد الصور استخدام الزلاقات عند قدماء المصريين في فترة 1880 قبل الميلاد، حيث تظهر الصورة 172 عبداً يجرون تمثالاً كبيراً يزن 600 كيلو نيوتن على طول سكة خشبية.. كما تظهر الصورة أحد الرجال الواقفين على السكة يصب سائل على طول خط الحركة، ويعتبر هذا الرجل أحد أقدم مهندسي التزييت في العالم. تم تقدير أن كل عامل يسحب بقوة حوالي 800 نيوتن، وعلى هذا الأساس فإن القوة الإجمالية للجر تعادل 172 مضروبة بـ 800 نيوتن، وعليه من الممكن حساب معامل الاحتكاك بقيمة 0.23. .

المصريون القدماء يستخدمون زيت الانزلاق من أجل المساعدة في تحريك تمثال Colossus عام 1880 قبل الميلاد.

أثناء عهد إنتصارات الإمبراطورية الرومانية، قام المهندسين الحربيين بتزييت الآلات العسكرية المستخدمة أثناء عمليات الحصار. وكان أول من وضع الأسس العلمية لعلم الاحتكاك هم علماء النهضة وعلى رأسهم ليوناردو دافنشي الذي عرف لأول مرة مفهوم معامل الاحتكاك كقيمة لقوة الاحتكاك بالنسبة للحمل الشاقولي. في عام 1699 وجد Guillaume Amontons أن قوة الاحتكاك تكون متناسبة مع الحمل الشاقولي ولا تتعلق بمساحة سطح الاحتكاك. قام كولومب بصياغة هذه الملاحظات في عام 1781 وقام بالتمييز بشكل واضح بين الإحتكاك الستاتيكي والإحتكاك الحركي. الكثير من التطورات اللاحقة نشأت نتيجة تطور الصناعة في أواخر القرن التاسع عشر، حيث بدأت أوائل ثورة النفط في اسكوتلندا وكندا والولايات المتحدة في منتصف القرن التاسع عشر. وعلى الرغم من أن القوانين الأساسية في الموائع تم نشرها من قبل نيوتن، إلا أن الفهم العلمي للمتدحرجات الزلقة لم يتم حتى نهاية القرن التاسع عشر. وبشكل تام فإن الفهم لمبادئ التزييت الهيدروديناميكية أصبح ممكناً مع تجارب أبحاث Tower Tower. بالإضافة إلى الأسس النظرية التي وضعها Reynolds . ومنذ ذلك الوقت فإن التطورات في نظرية المتدحرجات الهيدروديناميكية وتطبيقاتها تطورت بشكل كبير من أجل الوفاء بمتطلبات المتدحرجات في صناعة الآلات.

 تعريف الاحتكاك

•  مقالة مفصلة: احتكاك

شكل توضيحي يظهر جسم يسحب على سطح أفقي. W هي قوة الثقالة الأرضية، F هي قوة الاحتكاك.

تغير قوة الاحتكاك بتغير الزمن.

الاحتكاك هو مقاومة الحركة التي تحدث لحركة عند إحتكاك جسم صلب بآخر. يطلق على القوة التي تكون موازية ومعاكسة لاتجاه الحركة اسم قوة الاحتكاك. إذا تم تطبيق قوة (F) على جسم من أجل تحريكه، ينتج نوعين من قوى الإحتكاك، القوة الأولى تمانع حركة الجسم لعدة أجزاء من المليلي ثانية قبل بدئه بالحركة وتسمى قوة الاحتكاك الساكن (F_static)، والقوة الأخرى هي القوة التي تبقى ممانعة لحركة الجسم أثناء حركته وتسمى قوة الإحتكاك الحركي (F_kinetic). تكون قوة الإحتكاك الحركي أقل أو تساوي قوة الإحتكاك الستاتيكي.

يوجد قانونان معروفان بشكل كبير في مجال الإحتكاك. يقول القانون الأول أن قوة الإحتكاك لا تتعلق بسطح التماس بين الأجسام، والقانون الثاني يقول أن قوة الإحتكاك تتناسب مع القوة الناظمية W المتولدة بين الأجسام المتلامسة. يطلق على هذه القوانين اسم قوانين أمونتون "Amontons laws" نسب إلى المهندس الفرنسي أمونتون الذي قدم هذه القوانين عام 1699..

يتيح القانون الثاني في الإحتكاك تعريف معامل الإحتكاك على الشكل: $F=\mu W$

حيث $\mu$ هو ثابت يعرف باسم ثابت الاحتكاك، ويتعلق بنوع الجسمين المتماسين وتحت ظروف عمل (درجة حرارة – رطوبة – ضغط – سرعة انزلاق) معينة.

أنواع الاحتكاك

 الاحتكاك الجاف

ينشأ هذا الاحتكاك نتيجة خشونة الأسطح المتلامسة على الرغم من تجليخ السطح الانزلاقي لمرتكز العمود وخراطة «القشور» خراطة دقيقة فإن تلامس هذه الأسطح بعضها مع بعض من دون وسيط تزليق يُنشئ احتكاكاً كبيراً تصاحبه سخونة شديدة، مما يؤدي إلى اهتراء الأسطح وتآكلها، وتدعى هذه الحالة «الاحتكاك الجاف»، ولا يجوز مطلقاً أن توجد حالة الاحتكاك الجاف هذه في مخفف الاحتكاك .

 الاحتكاك المختلط

وفيه تكون الأسطح الانزلاقية مبللة بوسيط تزليق، في حين تبقى قمم الأسطح متلامسة، وفي هذه الحالة ينخفض الاحتكاك والاهتراء، غير أنها ليست صالحة لتخفيف الاحتكاك على نحو مستمر، حيث ينشأ الاحتكاك المختلط عند بدء دوران مرتكز العمود، وتُصاب القشور التي تُركَّب لتخفيف الاحتكاك باهتراء لتكرر توقفها ودورانها، أكثر من مخففات الاحتكاك دائمة الدوران،.

 الاحتكاك المائع

في هذه الحالة يكون وسيط التزليق كافياً بين الأسطح المحتكة فلا يتلامس بعضها مع بعض، ويحدث الاحتكاك في هذه الحالة في وسيط التزليق نفسه، حيث تلتصق الطبقة السفلى من جزئياته بسطح «القشور» ولا تتحرك، في حين تلتصق الطبقة العليا بسطح موضع ارتكاز العمود وتتحرك معه، أما بقية الطبقات الوسطية فتتحرك بسرعات متفاوتة .

 قوانين الاحتكاك

القانون الأساسيّ للاحتكاك ينصّ على أنَّ القُوَّة المطلوبة للتغلُّب على الاحتكاك تتناسب مع القُوَّة العاديَّة أو العمودية الضَّاغطة على سطح آخر. ويكون هذا عندما يتضاعف وزن صندوق يتمُّ جَرُّه فوق أرضيَّة. فالقُوَّة اللازمة لِجَرِّه يجب أن تَتَضَاعَف، وعندما يَزِنُ الصندوق أربعة أضعاف وزنه فيجب استخدام قوة تزيد أَربع مرات لجَرِّه. والنِّسبة بين الوَزْن الجاري جَرُّه والقُوَّة الضَّاغطة على الأسطح معاً تسمى مُعامِل الاحتكاك. ومقدار مُعامِل الاحتكاك يعتمد على نوعيَّة الأسطح المتحركة بعضها عكس بعض. ومعامل الاحتكاك يُساوِي القُوَّة المطلوبة لتحريك جسم، مقسومة على القُوَّة الضَّاغطة على السَّطح معاً، ويمكن كتابة ذلك على النحو التالي:

معامل الاحتكاك = القوَّة المُحرِّكة ÷ القوَّة الضَّاغطة

وعلى سبيل المثال، نفرض أنَّ قُوَّة مُحرِكة ذات زنة 30 كجم مطلوبة لجر كتلة تزن 80 كجم فوق سطح مُستَو. فمعامل الاحتكاك يساوي 30 مقسوماً على 80 أو 0,375. وفي النظام المتريّ تُقَاس القُوَّة بوحدات تسمى نيوتُنات. افترض أن قوة جَرِّ مقياسها 45 نُيُوتُن مطلوبة لزحلقة كُتلة زِنتُها 12,2 كجم. تضغط الكتلة إلى أسفل بقوة تُساوي تقريبا 120 نيوتُن، وذلك لأن الجاذبية الأرضية تجذب بقوة 9,8 لكل كجم من وزن الجسم، و9,8 مضروبًا في 12,2 تساوي تقريبًا 120.

ومُعامِل الاحتكاك يَخْتَلِف باختلاف الموادِّ المُستخدَمة، فمُعامِل احتكاك خشب مُنزلِق على خَشَب يكون مابين 0,25 و 0,50 ، وفلز منزلق على فلز يساوي بين 0,15 و 0,20. وقوة الاحتكاك بسبب الاحتكاك الدُّرُوجيّ تبلغ نحو 1 ÷ 100 من القوة بسبب الاحتكاك الانزلاقّي. ولكن أحوالاً مختلفة تشْمَل الصَّلابة والنُّعومة وقُطْر المواد تؤثر على الاحتكاك الدُّرُوجيّ، وعند تصميم الآلات فعلى المهندسين أن يَعْرِفُوا معاملات الاحتكاك المختلفة.

والزَّيت يُقلِّل الاحتكاك. فمعامل الاحتكاك لحديد مُتَدَحْرِج على خشب مُزَيَّت على سبيل المثال يُصبح أقلَّ كثيرا من 0,018، لأن نوع السَّطح ليس له أثر تقريباً عندما يكون مُغطى بالزَّيت أو بسوائل أخرى، وحينئذ يعتمد الاحتكاك على لُزُوجة السَّائل والسُّرْعة النِّسبيَّة بين الأسطح المُتحرِّكة.

 انظر أيضاً

• علم السطوح
• احتكاك
• Fretting
• Galling
• List of tribology organizations
• Oil analysis
• Oil additive
• Surface science
• Tribocorrosion
• Tribometer

 المصادر

"الاحتكاك". الموسوعة المعرفية الشاملة.

محمد جمال نمرة. "مخفف الاحتكاك". الموسوعة العربية.

 بيلوغرافيا

• Surface Wear – Analysis, Treatment, and Prevention: R. Chattopadhyay, published by ASM-International, Materials Park, OH, 2001, ISBN 0-87170-702-0.
• Advanced Thermally Assisted Surface Engineering Processes: Ramnarayan Chattopadhyay, Kluwer Academic Publishers, MA (now Springer, NY), 2004.
• DeGarmo, E. Paul, J T. Black, and Ronald A. Kohser. Materials and Processes in Manufacturing. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1997. ISBN 0-02-328621-0
• Zum Gahr, Karl-Heinz (1987). Microstructure and Wear of Materials. Tribology Series, 10. Elsevier. ISBN 0444427546.
• Heshmat, Hooshang. Tribology of Interface Layers. CRC Press. ISBN 978-0824758325.
• Litt, Fred. "Starting from Scratch: Tribology Basics Volume I" (PDF). STLE. Retrieved 2010-06-10.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 وصلات خارجية

• Tribology NL an overview of tribology topics targeted at mechanical engineers.