เมื่อโดมิโนล้ม แถวจะล้มเร็วแค่ไหนขึ้นอยู่กับแรงเสียดทาน

โดมิโนอาจดูเหมือนเป็นเรื่องสนุกและเป็นเกม แต่เข้าใจว่าโค่นล้มได้อย่างไร? นั่นเป็นวิทยาศาสตร์ที่จริงจัง

 

“มันเป็นปัญหาที่เป็นธรรมชาติมาก ทุกคนเล่นกับโดมิโน” เดวิด คันทอร์ กล่าว เขาเป็นนักวิจัยที่ Polytechnique Montréal ในควิเบก แคนาดา เขามีพื้นฐานด้านวิศวกรรมโยธา ดังนั้นคันทอร์จึงเริ่มศึกษาบล็อค

เกมโดมิโนมีความสนุกสนานมากขึ้นกับเพื่อน การวิจัยเกี่ยวกับพวกมันก็เช่นกัน คันทอร์คิด เขาจึงร่วมทีมกับเพื่อน นักฟิสิกส์คนนั้น Kajetan Wojtacki ทำงานที่ Institute of Fundamental Technological Research เป็นส่วนหนึ่งของ Polish Academy of Sciences ในวอร์ซอ

 

ทั้งคู่ใช้คอมพิวเตอร์จำลองแถวของโดมิโนที่ถล่มลงมา มันเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่: โดมิโนที่ตกลงมาแต่ละตัวจะโค่นล้มลงในถัดไป จากนั้นถัดไปไปเรื่อยๆ และความเร็วของน้ำตกนั้นขึ้นอยู่กับแรงเสียดทาน พวกเขาเรียนรู้

ความขัดแย้งเกิดขึ้นในสองแห่ง ทั้งคู่รายงานในมิถุนายน Physical Review Applied โดมิโนถูกันขณะที่พวกมันชนกัน พวกเขายังเลื่อนไปตามพื้นผิวที่พวกเขานั่ง

 

โมเดลคอมพิวเตอร์ของพวกเขาแสดงให้เห็นวิธีที่ดีที่สุดในการพังอย่างรวดเร็ว การล้มที่เร็วที่สุดเกิดขึ้นเมื่อพวกมันวางโดมิโนที่ลื่นใกล้กันบนพื้นผิวที่ขรุขระ เช่น สักหลาด

กระเบื้อง Slicker หมายถึงการเสียดสีระหว่างโดมิโนน้อยลง และนั่นหมายความว่าจะสูญเสียพลังงานน้อยลงเมื่อโค่นล้มกัน การนั่งบนพื้นผิวที่มีการเสียดสีสูงทำให้กระเบื้องไม่เลื่อนถอยหลังมากเกินไปเมื่อตกลงมา การถอยกลับดังกล่าวจะทำให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ลดหลั่นช้าลง

 

ในบางรุ่นวิ่ง ปฏิกิริยาลูกโซ่หยุดสั้น ตัวอย่างเช่น โดมิโนบางตัวอยู่ห่างกันบนพื้นผิวที่ลื่นไถลไปด้านหลังมากจนพวกมันไม่เคยชนกัน

โดมิโนดูโอใช้คณิตศาสตร์เพื่ออธิบายผลลัพธ์ที่จำลองด้วยคอมพิวเตอร์เหล่านี้ พวกเขาได้สมการที่ทำนายความเร็วของการยุบตัวภายใต้สภาวะต่างๆ การคาดคะเนก็ตรงกับผลการทดลองก่อนหน้านี้ด้วย ปรากฎว่ามีวิทยาศาสตร์ที่จริงจังอยู่เบื้องหลังภาพที่น่าพึงพอใจ

 

แรงเสียดทาน

แรงเสียดทาน แรงที่ต้านทานการเลื่อนหรือกลิ้งของวัตถุแข็งชิ้นหนึ่งทับอีกชิ้นหนึ่ง แรงเสียดทาน เช่น แรงฉุดที่จำเป็นต่อการเดินโดยไม่ลื่น อาจเป็นประโยชน์ แต่ก็แสดงถึงการต่อต้านการเคลื่อนไหวอย่างมากเช่นกัน ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของกำลังเครื่องยนต์ของรถยนต์ถูกใช้เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานในชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

 

สาเหตุหลักของการเสียดสีระหว่างโลหะดูเหมือนจะเป็นแรงดึงดูด หรือที่เรียกว่าการยึดเกาะ ระหว่างบริเวณสัมผัสของพื้นผิว ซึ่งมักจะไม่ปกติด้วยกล้องจุลทรรศน์ แรงเสียดทานเกิดขึ้นจากการตัดรอยต่อที่ “เชื่อม” เหล่านี้และจากการกระทำที่ผิดปกติของพื้นผิวที่แข็งกว่าซึ่งไถผ่านพื้นผิวที่นุ่มกว่า

ข้อเท็จจริงจากการทดลองง่ายๆ สองข้อแสดงให้เห็นถึงลักษณะแรงเสียดทานของของแข็งที่เลื่อนได้ ประการแรก ปริมาณแรงเสียดทานเกือบจะไม่ขึ้นกับพื้นที่สัมผัส หากอิฐถูกดึงไปตามโต๊ะ แรงเสียดทานจะเท่ากันไม่ว่าอิฐจะนอนราบหรือยืนอยู่ที่ปลาย ประการที่สอง ความเสียดทานเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักหรือน้ำหนักที่กดพื้นผิวเข้าด้วยกัน หากดึงอิฐสามก้อนไปตามโต๊ะ ความเสียดทานจะมากกว่าการดึงอิฐก้อนเดียวถึงสามเท่า

ดังนั้นอัตราส่วนของแรงเสียดทาน F ต่อโหลด L จึงคงที่ อัตราส่วนคงที่นี้เรียกว่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีและมักใช้สัญลักษณ์กรีก mu (μ) ในทางคณิตศาสตร์ μ = F/L เนื่องจากทั้งแรงเสียดทานและโหลดวัดเป็นหน่วยแรง (เช่น ปอนด์หรือนิวตัน) สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจึงไม่มีมิติ ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานสำหรับกรณีของอิฐหนึ่งก้อนขึ้นไปที่เลื่อนบนโต๊ะไม้สะอาดมีค่าประมาณ 0.5 ซึ่งหมายความว่าต้องใช้แรงเท่ากับครึ่งหนึ่งของน้ำหนักของอิฐเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานเพื่อให้อิฐเคลื่อนที่ไปตาม ด้วยความเร็วคงที่ แรงเสียดทานนั้นพุ่งตรงไปในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ เนื่องจากแรงเสียดทานที่อธิบายไว้จนถึงขณะนี้เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวในการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ จึงเรียกว่าแรงเสียดทานจลนศาสตร์

ในทางตรงกันข้ามแรงเสียดทานสถิตจะกระทำระหว่างพื้นผิวที่อยู่นิ่งโดยให้ความเคารพซึ่งกันและกัน ค่าของแรงเสียดทานสถิตจะแตกต่างกันไประหว่างศูนย์และแรงที่น้อยที่สุดที่จำเป็นในการเริ่มการเคลื่อนไหว แรงที่เล็กที่สุดที่จำเป็นในการเริ่มเคลื่อนที่หรือเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานสถิต มักมากกว่าแรงที่จำเป็นต่อการเคลื่อนที่ต่อไป หรือเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานจลนศาสตร์

แรงเสียดทานจากการกลิ้งเกิดขึ้นเมื่อล้อ ลูกบอล หรือกระบอกสูบหมุนอย่างอิสระบนพื้นผิว เช่นเดียวกับในตลับลูกปืนแบบลูกกลิ้งและแบบลูกกลิ้ง แหล่งที่มาหลักของแรงเสียดทานในการกลิ้งดูเหมือนจะเป็นการกระจายพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเสียรูปของวัตถุ

ถ้าลูกแข็งกลิ้งอยู่บนพื้นราบ ลูกบอลจะค่อนข้างแบนและพื้นผิวเรียบราบค่อนข้างเยื้องในบริเวณที่สัมผัสกัน การเสียรูปหรือการบีบอัดแบบยืดหยุ่นที่เกิดขึ้นที่ส่วนชั้นนำของพื้นที่สัมผัสเป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนไหวที่ไม่ได้รับการชดเชยอย่างเต็มที่เนื่องจากสารจะพลิกกลับเป็นรูปร่างปกติที่ส่วนต่อท้าย การสูญเสียภายในของสารทั้งสองจะคล้ายกับที่ทำให้ลูกบอลไม่กระดอนกลับไปที่ระดับที่หล่นลงมา โดยทั่วไปแล้ว ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจากการเลื่อนมักจะมากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีกลิ้ง 100 ถึง 1,000 เท่าสำหรับวัสดุที่เกี่ยวข้องกัน ข้อได้เปรียบนี้เกิดขึ้นในอดีตด้วยการเปลี่ยนจากเลื่อนเป็นล้อ

แรงเสียดทานคืออะไร?

แรงเสียดทานคือความต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุหนึ่งที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับอีกวัตถุหนึ่ง ตามรายงานของ International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems จะไม่ถือว่าเป็นแรงพื้นฐาน เช่น แรงโน้มถ่วงหรือแม่เหล็กไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเป็นผลมาจากแรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอนุภาคที่มีประจุในพื้นผิวสัมผัสสองอัน

 

นักวิทยาศาสตร์เริ่มรวบรวมกฎหมายที่ควบคุมแรงเสียดทานในทศวรรษ 1400 ตามหนังสือกลศาสตร์ของดิน แต่เนื่องจากปฏิสัมพันธ์นั้นซับซ้อนมาก การกำหนดลักษณะของแรงเสียดทานในสถานการณ์ต่างๆ มักจะต้องมีการทดลองและไม่สามารถได้รับ จากสมการหรือกฎเพียงอย่างเดียว

 

สำหรับกฎทั่วไปเกี่ยวกับความเสียดทาน มีข้อยกเว้นหลายประการเช่นเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ในขณะที่พื้นผิวขรุขระสองพื้นผิว (เช่นกระดาษทราย) ถูกันในบางครั้งอาจมีการเสียดสีมากกว่า แต่วัสดุที่ขัดอย่างราบรื่นมาก (เช่น แผ่นแก้ว) ที่ได้รับการทำความสะอาดอย่างระมัดระวังของอนุภาคพื้นผิวทั้งหมดอาจเกาะติดกันอย่างแรงมาก ตาม The Royal Society

ประเภทของแรงเสียดทาน

แรงเสียดทานมีสองประเภทหลัก: สถิตและจลนศาสตร์ตามวารสาร The Physics Teacher แรงเสียดทานสถิตทำงานระหว่างสองพื้นผิวที่ไม่เคลื่อนที่สัมพันธ์กัน ในขณะที่แรงเสียดทานจลน์กระทำระหว่างวัตถุที่เคลื่อนที่

ในของเหลว แรงเสียดทานคือความต้านทานระหว่างชั้นเคลื่อนที่ของของไหล ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าความหนืด โดยทั่วไปแล้ว ของเหลวที่มีความหนืดมากกว่าจะมีความหนามากกว่า ตามรายงานของวารสาร Dysphagia ดังนั้นน้ำผึ้งจึงมีแรงเสียดทานของเหลวมากกว่าน้ำ

 

อะตอมภายในวัสดุที่เป็นของแข็งสามารถสัมผัสกับแรงเสียดทานได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น หากบล็อกโลหะที่เป็นของแข็งถูกบีบอัด อะตอมทั้งหมดภายในวัสดุจะเคลื่อนที่ ทำให้เกิดแรงเสียดทานภายใน

 

ตามข้อมูลของ American Physical Society ในธรรมชาติ ไม่มีสภาพแวดล้อมที่ไร้แรงเสียดทานเลยแม้แต่ในห้วงอวกาศ อนุภาคเล็กๆ ของสสารอาจโต้ตอบกันทำให้เกิดการเสียดสี

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ colegioinfantilpinocho.com