แรงเสียดทาน (Friction)ฟิสิกส์ ม.ปลาย

แรงเสียดทาน (Friction) คือแรงต้านการเคลื่อนที่บนผิวสัมผัสที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุ หรือแรงที่ต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุไปบนพื้นผิวสัมผัส ซึ่งส่งผลให้วัตถุดังกล่าวเคลื่อนที่ช้าลงหรือหยุดนิ่งไปในท้ายที่สุด ดังนั้น แรงเสียดทานจึงมีทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ และมีขนาดขึ้นอยู่กับ ลักษณะของพื้นผิวสัมผัส และ แรงหรือน้ำหนัก ที่กระทำในลักษณะตั้งฉากต่อพื้นผิวดังกล่าว หากแรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัสมีขนาดมากเท่าใดย่อมส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานมากขึ้นเท่านั้น

ประเภทของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานจำแนกออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่

แรงเสียดทานชนิดแห้ง (Dry Friction) คือแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นจากการสัมผัสกันของวัตถุที่มีสถานะเป็นของแข็ง โดยแรงเสียดทานชนิดแห้งสามารถจำแนกออกเป็น 2 ชนิดย่อย คือ

แรงเสียดทานสถิต (Static Friction) คือแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะที่วัตถุได้รับแรงกระทำแล้วหยุดนิ่งอยู่กับที่
แรงเสียดทานจลน์ (Kinetic Friction) คือแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะที่วัตถุได้รับแรงกระทำแล้วเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

แรงเสียดทานในของไหล (Fluid Friction) คือแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของวัตถุในของไหล (Fluid) หรือการเคลื่อนที่ของวัตถุในสสารที่มีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซ เช่น ความต้านทานของอากาศที่กระทำต่อเครื่องบินหรือการต้านทานของน้ำที่กระทำต่อเรือ เป็นต้น

แรงเสียดทานจากการหมุน (Rolling Friction) คือแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของวัตถุทรงกลมหรือมีพื้นผิวกลมมนบนพื้นผิวสัมผัส เช่น การเคลื่อนที่ของลูกบอลหรือล้อรถบนถนน

ประโยชน์ของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของมนุษย์มายาวนาน ตั้งแต่ยุคสมัยของการริเริ่มจุดไฟ การนำหินมากระทบกัน หรือการนำกิ่งไม้แห้งมาขัดสีเพื่อสร้างประกายไฟ ต่างเป็นผลมาจากการใช้ประโยชน์ของแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างวัตถุ ทำให้พลังงานการเคลื่อนที่บางส่วนถูกแปรเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน

แรงเสียดทาน

แรงเสียดทาน (friction) เป็นแรงที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุหนึ่งพยายามเคลื่อนที่ หรือกำลังเคลื่อนที่ไปบนผิวของอีกวัตถุ เนื่องจากมีแรงมากระทำ มีลักษณะที่สำคัญ ดังนี้
1. เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ
2. มีทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางที่วัตถุเคลื่อนที่หรือตรงข้ามทิศทางของแรงที่พยายามทำให้วัตถุเคลื่อนที่ดังรูป

รูปแสดงลักษณะของแรงเสียดทาน

ถ้าวาง A อยู่บนวัตถุ B ออกแรง ลากวัตถุ วัตถุ A จะเคลื่อนที่หรือไม่ก็ตาม จะมีแรงเสียดทานเกิดขึ้นระหว่างผิวของ A และ B แรงเสียดทานมีทิศทางตรงกันข้ามกับแรง ที่พยายามต่อต้านการเคลื่อนที่ของ A

ประเภทของแรงเสียดทาน
แรงเสียดทานมี 2 ประเภท คือ
1. แรงเสียดทานสถิต (static friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะที่วัตถุได้รับแรงกระทำแล้วอยู่นิ่ง
2. แรงเสียดทานจลน์ (kinetic friction) คือ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นระหว่างผิวสัมผัสของวัตถุ ในสภาวะที่วัตถุได้รับแรงกระทำแล้วเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่

ปัจจัยที่มีผลต่อแรงเสียดทาน
แรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัสจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ
1. แรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัส ถ้าแรงกดตัวฉากกับผิวสัมผัสมากจะเกิดแรงเสียดทานมาก ถ้าแรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัสน้อยจะเกิดแรงเสียดทานน้อย ดังรูป

รูป ก แรงเสียดทานน้อย รูป ข แรงเสียดทานมาก

ลักษณะของผิวสัมผัสถ้าผิวสัมผัสหยาบ ขรุขระจะเกิดแรงเสียดทานมาก ดังรูป ก ส่วนผิวสัมผัสเรียบลื่นจะเกิดแรงเสียดทานน้อยดังรูป ข

รูป ก แรงเสียดทานมาก รูป ข แรงเสียดทานน้อย

ชนิดของผิวสัมผัสเช่น คอนกรีตกับเหล็ก เหล็กกับไม้ จะเห็นว่าผิวสัมผัสแต่ละคู่ มีความหยาบ ขรุขระ หรือเรียบลื่น เป็นมันแตกต่างกัน ทำให้เกิดแรงเสียดทานไม่เท่ากัน

การลดแรงเสียดทาน
การลดแรงเสียดทานสามารถทำได้หลายวิธีดังนี้
1. การใช้น้ำมันหล่อลื่นหรือจาระบี
2. การใช้ระบบลูกปืน
3. การใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ตลับลูกปืน
4. การออกแบบรูปร่างของยานพาหนะให้เพรียวลมทำให้ลดแรงเสียดทาน

รูปแสดงรูปร่างของเรือที่เพียวลมเพื่อลดแรงเสียดทาน

การเพิ่มแรงเสียดทาน
การเพิ่มแรงเสียดทานในด้านความปลอดภัยของมนุษย์ เช่น
1. ยางรถยนต์มีดอกยางเป็นลวดลาย มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานระหว่างล้อกับถนน ดังรูป

รูปแสดงยางรถยนต์ที่มีลวดลาย

การหยุดรถต้องเพิ่มแรงเสียดทานที่เบรก เพื่อหยุดหรือทำให้รถแล่นช้าลง
3. รองเท้าบริเวณพื้นต้องมีลวดลาย เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานทำให้เวลาเดินไม่ลื่นหกล้มได้ง่าย ดังรูป

รูปแสดงพื้นรองเท้าที่มีลวดลาย

การปูพื้นห้องน้ำควรใช้กระเบื้องที่มีผิวขรุขระ เพื่อช่วยเพิ่มแรงเสียดทาน เวลาเปียกน้ำจะได้ไม่ลื่นล้ม ดังรูป

รูปแสดงการปูพื้นด้วยกระเบื้องยาง

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

การคำนวณหาสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน
สัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทานระหว่างผิวสัมผัสคู่หนึ่งๆ คือ อัตราส่วนระหว่างแรงเสียดทานต่อแรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัส

แรงเสียดทานจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ 1. แรงกดตั้งฉากกับผิวสัมผัส ซึ่งส่วนใหญ่แล้วคือ น้ำหนักของวัตถุที่กระทำต่อพื้นผิว 2. ลักษณะของพื้นผิว เช่น พื้นผิวเรียบจะเสียดทานน้อยกว่าผิวที่ขรุขระ และ 3. ชนิดของผิวสัมผัสทั้งสองด้านซึ่งให้แรงเสียดทานไม่เท่ากัน การใส่รองเท้าแตะเดินบนพื้นหินอ่อนกับใส่รองเท้าแตะเดินบนพื้นคอนกรีตก็จะใช้แรงในการเดินไม่เท่ากัน ความลื่นของพื้นผิวก็ต่างกันนั่นเอง

ตัวอย่างที่ 1 ออกแรง 20 นิวตัน ลากวัตถุไปตามพื้นราบ ถ้าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน = 10 จงคำนวณหาน้ำหนักของวัตถุ
วิธีทำ

ตอบ 2 นิวตัน

ตัวอย่างที่ 2 วัตถุ ก มีแรงกดลงบนพื้นโต๊ะ 30 นิวตัน ต้องออกแรงฉุดในแนวขนาน 3 นิวตัน สัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทานมีค่าเท่าไร
วิธีทำ

สัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทาน = ตอบ 1/10 หรือ 0.1

ตัวอย่างที่ 3 วัตถุมวล 400 นิวตัน วางบนพื้นราบถ้าต้องการให้วัตถุเคลื่อนที่ต้องออกแรงผลักอย่างน้อย 150 นิวตัน ตามแนวราบ สัมประสิทธิ์ของความเสียดทานมีค่าเท่าไร
วิธีทำ