لا أعرف من اخترع هذا التحدي المجنون، لكن الفكرة هي وضع شخص ما في وعاء ثلج منحوت ومعرفة ما إذا كان بإمكانه الخروج. تحقق من ذلك! الوعاء على شكل كرة من الداخل، لذا كلما ارتفعت الجوانب إلى الأعلى، أصبح أكثر انحدارًا. إذا كنت تعتقد أن الرصيف الجليدي زلق، فحاول الصعود على الرصيف الجليدي.
ماذا تفعل عندما تواجه مشكلة كهذه؟ أنت تبني نموذجًا فيزيائيًا بالطبع. سنبدأ بنمذجة كيفية سير الأشخاص على أرض مسطحة، ثم سنطبقها على منحدر زلق. هناك في الواقع ثلاث خطط هروب محتملة، وقد استخدمت هذا النموذج لإنشاء رسوم متحركة حتى تتمكن من رؤية كيفية عملها. لذا، الأشياء الأولى أولاً:
كيف يمشي الناس؟
عندما تنتقل من الباب الأمامي إلى صندوق البريد، ربما لا تفكر في الآليات المعنية. لقد قمت بحل هذه المشكلة عندما كنت طفلاً صغيراً، أليس كذلك؟ ولكن هذا ما يفعله العلماء: نحن نطرح أسئلة لم يتوقف أحد عن التساؤل عنها.
بالحديث عن ذلك، هل تساءلت يومًا لماذا يكون الجليد زلقًا؟ صدق أو لا تصدق، نحن لا نعرف. السبب المباشر هو وجود طبقة رقيقة مائية على السطح. لكن لماذا؟ هذا الفيلم السائل موجود حتى تحت نقطة التجمد. لقد ظل الفيزيائيون والكيميائيون يتجادلون حول هذا الأمر لعدة قرون.
على أية حال، لكي تبدأ المشي، يجب أن تكون هناك قوة في اتجاه الحركة. وذلك لأن الحركة المتغيرة هي نوع من التسارع، وقانون نيوتن الثاني يقول أن القوة المحصلة المؤثرة على الجسم تساوي حاصل ضرب كتلته في تسارعه (ف = أماه). إذا كان هناك تسارع، فلا بد أن تكون هناك قوة محصلة.
إذن ما هي تلك القوة التي تدفعك للأمام؟ حسنًا، عندما تتخذ خطوة وتدفع بقدمك الخلفية، فإن عضلاتك تؤثر بقوة للخلف على الأرض. وقانون نيوتن الثالث يقول أن لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه. وهذا يعني أن الأرض تمارس أ إلى الأمام– القوة التي توجهها نحوك، والتي نسميها قوة الاحتكاك.
ويعتمد حجم قوة الاحتكاك هذه على أمرين: (1) المواد المحددة المتلامسة، والتي يتم التقاطها في معامل (μ) – رقم عادة ما يكون بين 0 و1، حيث تكون القيم الأقل أكثر انزلاقًا وأقل ثباتًا. و(2) مدى قوة دفع هذه الأسطح معًا، وهو ما نسميه القوة العمودية (ن).
القوة العمودية هي مفهوم غريب بالنسبة للمبتدئين في الفيزياء، لذا اسمحوا لي أن أشرح ذلك. طبيعي يعني عمودي على سطح الاتصال. إنها قوة دفع للأعلى تمنعك من الهبوط على الأرض تحت قوة الجاذبية. إذا كنت واقفًا على أرض مسطحة، فإن هاتين القوتين ستكونان متساويتين ومتعاكستين، وتلغيان بعضهما البعض، لذلك لا يوجد تسارع رأسي.
ملاحظة أخيرة: هناك نوعان مختلفان من معاملات الاحتكاك. الأول هو أن يكون لديك جسمان ثابتان، مثل كوب بيرة على شريط، وتريد أن تعرف مدى القوة التي يمكنك دفعها قبل أن تتحرك. يتم تحديد هذا الحد بواسطة ثابت معامل الاحتكاك (μق).
بعد ذلك، عندما يقوم النادل بتحريك الكوب الخاص بك إلى أسفل الشريط، يتم تحديد مقاومة الاحتكاك – التي تحدد مدى تقدمه – بواسطة الحركية معامل الاحتكاك (μك). عادة ما يكون هذا أقل، لأنه من الأسهل إبقاء الشيء متحركًا بدلاً من البدء في التحرك.
حتى الآن يمكننا قياس ثابت (فخ) والحركية (فfk) قوى الاحتكاك:
