การหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน (แรงเสียดทานยึดเกาะ/แรงเสียดทานเลื่อน)

สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเป็นแนวคิดพื้นฐานในวิชาฟิสิกส์ที่ใช้วัดว่าพื้นผิวสองพื้นผิวต้านทานการเลื่อนไปมาระหว่างกันมากน้อยเพียงใด มันเป็นตัวเลขที่ไม่มีมิติ (dimensionless) ซึ่งแสดงถึงอัตราส่วนของแรงเสียดทานต่อแรงปฏิกิริยาตั้งฉากที่กดพื้นผิวทั้งสองเข้าหากัน

สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานมีสองประเภทหลัก:

สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต: ค่านี้ใช้เมื่อพื้นผิวไม่เคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน (หยุดนิ่ง) โดยทั่วไปจะมีค่าสูงกว่าค่าแรงเสียดทานจลน์ แรงเสียดทานสถิตไม่คงที่ แต่จะถูกปรับให้มีค่าสูงสุด ดังนั้น การจะเริ่มเคลื่อนย้ายกล่องหนักจึงต้องใช้แรงมากกว่าการทำให้กล่องเคลื่อนที่ต่อไป
สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ (หรือแรงเสียดทานขณะเลื่อน): ค่านี้ใช้เมื่อพื้นผิวทั้งสองกำลังเลื่อนสัมพัทธ์กันอยู่แล้ว แรงเสียดทานจะมีค่าคงที่โดยประมาณ โดยทั่วไปแล้ว สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ (หรือแรงเสียดทานขณะเลื่อน) จะต่ำกว่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต (โดยปกติประมาณ 10-30 เปอร์เซ็นต์) ดังนั้นวัตถุจึงมีแนวโน้มที่จะเร่งความเร็วได้ง่ายขึ้นเล็กน้อยเมื่อเริ่มเคลื่อนที่แล้ว

ค่าสัมประสิทธิ์จะแตกต่างกันไปตามความหยาบของพื้นผิว ความสะอาด การหล่อลื่น อุณหภูมิ และความเร็ว ค่าเหล่านี้เป็นค่าโดยประมาณและอาจแตกต่างกันอย่างมากในสภาวะจริง ต่อไปนี้คือช่วงค่าทั่วไป (พื้นผิวแห้ง เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น):

น้ำแข็งบนน้ำแข็ง หรือ เทฟลอนบนเทฟลอน: ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน 0,04-0,1 (ลื่นมาก)
เหล็กกับเหล็ก (แบบแห้ง): ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต 0,7-0,8, ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ 0,4-0,6
คอนกรีตแห้งบนยาง (เช่น ยางรถยนต์): สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต 0,8-1,0, สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ 0,6-0,8
ไม้เสียดสีกับไม้: ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต 0,4-0,6, ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ 0,2-0,4
การเสียดสีระหว่างโลหะ (โดยใช้สารหล่อลื่น): ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์สามารถลดลงเหลือ 0,05-0,15 ได้

แรงเสียดทานมีความซับซ้อนอย่างน่าประหลาดใจในระดับจุลภาค (เกี่ยวข้องกับความหยาบของพื้นผิว การยึดเกาะ และบางครั้งก็มีฟิล์มหล่อลื่น) ดังนั้นค่าที่ได้ในโลกแห่งความเป็นจริงจึงมักต้องอาศัยการวัดเชิงทดลองมากกว่าการพึ่งพาตารางเพียงอย่างเดียว

ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานอธิบายปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่การยึดเกาะพื้นของรองเท้าและการทำงานของเบรก ไปจนถึงวิธีที่สารหล่อลื่นช่วยลดการสึกหรอในเครื่องยนต์ และเหตุผลที่วัสดุบางชนิดสร้างพื้นผิวกันลื่นได้ดี

ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานวัดได้โดยใช้วิธีการทดลองต่างๆ ในขั้นตอนการทดลองที่เป็นมาตรฐานและแม่นยำ การเลือกใช้วิธีใดขึ้นอยู่กับวัสดุ (เช่น พลาสติก โลหะ กระดาษ พื้น ยาง) ว่าต้องการค่าแรงเสียดทานสถิตหรือจลน์ และความแม่นยำที่ต้องการ

วิธีการใช้พื้นเอียง (วิธีที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการ): วิธีนี้เป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดและคลาสสิกที่สุดในการวัดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิต โดยวางวัตถุหรือบล็อกไว้บนพื้นราบ (เช่น ไม้ โลหะ หรือวัสดุที่ต้องการวัด) ค่อยๆ เพิ่มมุมของพื้นเอียงจนกระทั่งวัตถุเริ่มเลื่อน ณ ขณะที่เริ่มเลื่อน แรงโน้มถ่วงที่ขนานกับพื้นเอียงจะมีค่าเท่ากับแรงเสียดทานสถิตสูงสุด สำหรับแรงเสียดทานจลน์ สามารถปรับมุมได้เพื่อให้วัตถุเลื่อนด้วยความเร็วคงที่ (ต้องควบคุมอย่างระมัดระวังหรือสั่นเล็กน้อยเพื่อเอาชนะการลื่นไถล)
วิธีการลาก/เลื่อนแนวนอน (วิธีที่พบมากที่สุดในอุตสาหกรรม): วิธีนี้เป็นพื้นฐานของมาตรฐานหลายฉบับ และใช้แผ่นเลื่อน (หรือบล็อก) ที่มีน้ำหนักลากไปบนพื้นผิว วัสดุหนึ่งยึดติดกับระนาบแนวนอนคงที่ และอีกวัสดุหนึ่งยึดติดกับแผ่นเลื่อนที่มีน้ำหนักที่ทราบค่า โดยใช้เครื่องวัดแรง เซลล์รับน้ำหนัก หรือเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ ลากแผ่นเลื่อนในแนวนอนด้วยความเร็วคงที่ วัดแรงสูงสุดที่จำเป็นในการเริ่มต้นการเคลื่อนที่ (แรงเสียดทานสถิต) และแรงคงที่ระหว่างการเลื่อน (แรงเสียดทานจลน์) โดยปกติความเร็วจะถูกควบคุม (เช่น 150 มม./นาที ในมาตรฐานหลายฉบับ) เครื่องทดสอบสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน อุปกรณ์ทดสอบแรงเสียดทาน หรือเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ที่มีอุปกรณ์ยึดสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะถูกใช้ในการทดสอบ วิธีนี้ใช้ในมาตรฐานสากลที่อ้างอิงกันมากที่สุดสองฉบับ:
มาตรฐาน “ASTM D1894 วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิตและจลน์ของฟิล์มและแผ่นพลาสติก” เป็นมาตรฐานที่ใช้กันทั่วไปสำหรับฟิล์มบรรจุภัณฑ์ ลามิเนต และแผ่นต่างๆ โดยจะดึงตัวเลื่อนไปตามระนาบที่กำหนดหรือในทิศทางตรงกันข้าม มาตรฐานนี้ถูกยกเลิกในภายหลัง แต่ยังคงมีการอ้างอิงอยู่
มาตรฐาน “ISO 8295 พลาสติก - ฟิล์มและแผ่น - การหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน” คล้ายคลึงกับมาตรฐาน ASTM D1894 แต่มีความแตกต่างกันบ้างในเรื่องขนาดตัวอย่าง การใช้สปริง และขั้นตอนการทดสอบ ดังนั้นผลลัพธ์ที่ได้จึงไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้โดยตรง
มาตรฐาน “TAPPI T 549 การหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิตและจลน์ของกระดาษเขียนและพิมพ์ที่ไม่ได้เคลือบผิวโดยใช้วิธีระนาบแนวนอน” อธิบายถึงขั้นตอนที่ใช้ในระนาบแนวนอนเพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสถิตและจลน์ที่วัดได้ขณะที่กระดาษเลื่อนไปมาบนตัวมันเอง
วิธีการใช้เครื่องชั่งสปริง/เครื่องวัดแรง: นี่เป็นวิธีการที่ใช้ได้จริงอีกวิธีหนึ่งในการดึงในแนวนอน โดยติดเครื่องชั่งสปริงหรือเครื่องวัดแรงดิจิทัลเข้ากับวัตถุ แล้วดึงวัตถุด้วยความเร็วคงที่ขนานกับพื้นผิว วัดแรงก่อนเริ่มการเคลื่อนที่ (สถิต) และระหว่างการเลื่อนด้วยความเร็วคงที่ (จลน์) จากนั้นนำค่าที่ได้หารด้วยแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก (โดยปกติคือน้ำหนัก) เพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน วิธีนี้นิยมใช้ในการตรวจสอบภาคสนาม
วิธีการวัดแรงเสียดทานโดยใช้เครื่องวัดแรงเสียดทาน (ขั้นสูง/แบบกำหนดเอง): เครื่องวัดแรงเสียดทานสมัยใหม่ให้ความแม่นยำสูง ควบคุมภาระ ความเร็ว ตัวกลาง (แห้ง มีน้ำมัน อุณหภูมิ) และบางครั้งสามารถวัดได้หลายรอบ มีกลไกแบบพิน-ดิสก์ บอล-ระนาบ หรือแบบเคลื่อนที่ไปมาเชิงเส้น (เช่น สำหรับโลหะ สารเคลือบ โพลิเมอร์) เครื่องวัดแรงเสียดทานแบบพกพาใช้สำหรับพื้นผิวถนน/พื้นดิน สำหรับความต้านทานแรงเฉือน จะใช้มาตรฐาน "ASTM E303 วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับการวัดคุณสมบัติแรงเสียดทานของพื้นผิวโดยใช้เครื่องทดสอบลูกตุ้มแบบอังกฤษ" สำหรับแรงเฉือนเปียก/แห้ง จะใช้มาตรฐาน "ASTM C1679 วิธีปฏิบัติมาตรฐานสำหรับการวัดจลนศาสตร์การไฮเดรชั่นของส่วนผสมซีเมนต์ไฮดรอลิกโดยใช้เครื่องวัดความร้อนแบบไอโซเทอร์มอล"

สำหรับการใช้งานในภาคอุตสาหกรรม จะปฏิบัติตามมาตรฐาน ASTM D1894 หรือ ISO 8295 โดยใช้อุปกรณ์ทดสอบค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเฉพาะทาง เพื่อให้ได้ข้อมูลที่เชื่อถือได้และสามารถทำซ้ำได้

เป็นเวลานานหลายปีแล้วที่องค์กรของเรา ด้วยทีมงานที่มีความสามารถและประสบการณ์ ได้เข้าใจถึงความต้องการของลูกค้า ให้บริการทดสอบขั้นสูงที่พวกเขาต้องการ และให้ความช่วยเหลือในการจัดตั้ง การนำไปใช้ และการปรับปรุงระบบการจัดการ ภายใต้กรอบนี้ เรายังให้บริการด้านการกำหนดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน (แรงยึดเกาะ/แรงเสียดทานการเลื่อน) แก่ธุรกิจต่างๆ อีกด้วย