רכיבה על אופניים

מאת: ד"ר חזי יצחק*

בדף הבית הופיעה השאלה הבאה:

התשובה הנכונה היא: כוח החיכוך הסטטי שמפעילה הקרקע על הגלגל האחורי.

בדרך כלל אנו מתייחסים באופן שלילי לכוח החיכוך ומנסים להקטין אותו עד כמה שאפשר. אך למעשה כוח החיכוך הסטטי הוא זה שמאפשר לנו ללכת והוא זה שמניע את האופניים קדימה. כולנו יודעים שקשה וגם מסוכן לרכוב על כביש רטוב או כביש חלקלק משמן וזה משום שכח החיכוך הסטטי קטן.
על המערכת אופניים+רוכב הנמצאת בתנועה בקו ישר פועלים מספר כוחות. חשוב להדגיש שמערכת זו אינה גוף נקודתי ויש חשיבות גם לנקודת האחיזה בה פועלים הכוחות. באמצעות סיבוב הפדלים הרוכב מפעיל מומנט סיבוב המסובב את גלגל השיניים הקדמי (שנקרא גם גלגל מניע) ובאמצעות השרשרת, ההנעה עוברת לגלגלי השיניים האחוריים המחוברים לגלגל האחורי. הגלגל האחורי מסתובב ומפעיל כוח חיכוך על הקרקע שכיוונו אחורה. על פי החוק השלישי של ניוטון הקרקע מפעילה כוח שווה אך בכיוון הפוך על האופניים וזהו למעשה הכוח שמניע את האופניים.  כוח חיכוך זה הוא חיכוך סטטי משום שנקודת המגע של הצמיג האחורי עם הקרקע נמצאת במנוחה רגעית. בכל רגע ורגע נוצר מגע בין חלק אחר של הגלגל לקרקע, אבל כל אחת מנקודות המגע היא נייחת משום שכוח החיכוך הסטטי מתנגד לתנועתה. סוג כזה  של תנועה נקרא גלגול ללא החלקה. בזמן בלימה, הגלגלים ננעלים ונקודת המגע בין הצמיג לכביש זזה והאופניים מחליקים. במקרה זה כוח החיכוך הפועל על הגלגל האחורי הוא כוח חיכוך קינטי. דרך אגב, תפקיד מערכת ה-ABS במכוניות הוא למנוע את נעילת הגלגלים בעת בלימה ולדאוג שתנועתם תהיה חיכוך ללא החלקה ואז מרחק העצירה של המכונית יהיה קטן יותר, משום שהיא תיבלם ע"י כוח החיכוך הסטטי שהוא גדול יותר מכוח החיכוך הקינטי.
כוח החיכוך הסטטי שהקרקע מפעילה על האופניים שווה בגודלו לכוח שהרוכב (בהזנחת החיכוך  במסבי הגלגלים ובשרשרת) מפעיל על הפדלים, כלומר כאשר הרוכב מפעיל כוח גדול יותר, למשל על ידי עמידה על הפדלים, כוח החיכוך הסטטי ששווה למכפלה  כאשר  הוא הכח הנורמלי הפועל על הגלגל האחורי ו-הוא מקדם החיכוך הסטטי בין הקרקע לצמיג האחורי, גם הוא גדל.
 
חשוב לציין שבזמן הרכיבה פועלים על שני הגלגלים כוח חיכוך נוסף שנקרא חיכוך גלגול שכיוונו בניגוד לכיוון התנועה. חיכוך הגלגול נובע מכך שצמיגי האופניים והקרקע אינם גופים קשיחים אידיאלים ובזמן התנועה צורתם מתעוותת ואז לכח הנורמלי יש מומנט סיבוב שמתנגד לסיבוב הגלגל. גודלו של חיכוך הגלגול תלוי בין השאר בלחץ האוויר בצמיגים ובסוג המשטחים. כל אחד  בודאי הרגיש כמה קשה לרכב, כאשר חסר אוויר בצמיגים.  למרבה הפלא, כוח חיכוך הגלגול מתואר ע"י נוסחא דומה לאלו של החיכוך הקינטי והסטטי , כאשר  הוא מקדם חיכוך גלגול ו- הוא כוח חיכוך גלגול.

באיור 1, משורטטים הכוחות הפועלים על האופניים המתקדמים בקו ישר בעלייה.

איור 1: הכוחות הפועלים על המערכת אופניים+רוכב הנעים בקו ישר במעלה מישור משופע. המשקל פועל ממרכז המסה של המערכת והכוחות הנורמליים פועלים בנקודות המגע של הצמיגים עם הקרקע. הכוח המניע את האופניים הוא למעשה כוח החיכוך הסטטי שהקרקע מפעילה על הגלגל האחורי. על האופניים פועלים שני כוחות המתנגדים לתנועתם. האחד הוא כוח החיכוך עם האוויר התלוי בריבוע המהירות  והשני הוא כוח החיכוך בין הגלגלים לקרקע. כוח החיכוך הפנימי הפועל בצירי הגלגלים הוא קטן  ובדרך כלל מזניחים אותו.

ד"ר חזי יצחק
בי"ס תיכון לחינוך סביבתי, מדרשת שדה בוקר
המחלקה לאנרגיה סולארית ולפיזיקה סביבתית
המכונים לחקר המדבר ע"ש בלאושטיין, אוניברסיטת בן גוריון בנגב
דוא"ל: yiyeh@bgu.ac.il

למידע נוסף:
1. מאמר מאת חזי יצחק וגיל ברן:  השפעת המסה על רוכב אופניים במורד- האם קיים יתרון לכבדים?
2. מידע נוסף על הפיזיקה של האופניים וקישורים רבים נוספים  ניתן למצוא באתר שדה בוקר.
3. ראובן תל דן, מה עושות הגלגילות, עיניים, גיליון 83, , 22-26, יולי 2007.   
4. תלמידים המעוניינים לבצע עבודות גמר או פרויקטים מדעיים בנושאים הקשורים לפיזיקה של האופניים והרכיבה, מוזמנים ליצור קשר עם ד"ר חזי יצחק.

  מאמר: השפעת המסה על רוכב אופניים במורד- האם קיים יתרון לכבדים?