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关于静摩擦力的一点小科普

发布时间:2014-02-10 12:01:40  

1.凹凸啮合说.是从15世纪至18世纪,科学家们提出的一种关于摩擦本质的理论,啮合说认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生的.两个物体接触挤压时,接触面上很多凹凸部分就相互啮合.如果一个物体沿接触面滑动,两个接触面的凸起部分相碰撞,产生断裂、摩损,就形成了对运动的阻碍.

2.粘附说.这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论.最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出,他认为两个表面抛得很光的金属,摩擦会增大,可以用两个物体的表面充分接触时它们的分子引力将增大来解释. 上世纪以来,随着工业和技术的发展,对摩擦理论的研究进一步深入,到上世纪中期,诞生了新的摩擦粘附论.

新的摩擦粘附论认为,两个互相接触的表面,无论做得多么光滑,从原子尺度看还是粗糙的,有许多微小的凸起,把这样的两个表面放在一起,微凸起的顶部发生接触,微凸起之外的部分接触面间有10-8m或更大的间隙.这样,接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力.如果这个压力很小,微凸起的顶部发生弹性形变;如果法向压力较大,超过某一数值(每个凸起上约千分之几牛顿),超过材料的弹性限度,微凸起的顶部便发生塑性形变,被压成平顶,这时互相接触的两个物体之间距离变小到分子(原子)引力发生作用的范围,于是,两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合.这时要使两个彼比接触的表面发生相对滑动,必须对其中的一个表面施加一个切向力,来克服分子(原子)间的引力,剪断实际接触区生成的接点,这就产生了摩擦. 人们通过不断实验和分析计算,发现上述两种理论提出的机理都能产生摩擦,其中粘附理论提出的机理比啮合理论更普遍.但在不同的材料上,两种机理的表现有所偏向:对金属材料,产生的摩擦以粘附作用为主,而对木材,产生的摩擦以啮合作用为主.实际上,关于摩擦力的本质,目前尚未有定论,仍在深入探讨之中.

一、摩擦力的产生

产生摩擦力的原因很复杂。人类从十五世纪开始研究摩擦直到十八世纪末库仑总结出摩擦定律止, 科学家们才逐步建立了关于摩擦的凹凸啮合说。这种学说认为摩擦的产生是由于物体表面粗糙不平而导致的机械作用。按这种学说, 两个接触面越光滑,摩擦力越小。但实际上, 如果两个接触面光滑到一定程度后,接触面越光滑,摩擦力越大。因此产生了另一种学说叫分子粘合说。这种学说认为,两个接触物体在相互挤压时,接触面的凸部接触,产生塑性流动,致使凸部变成一个稍大的平面。于是两个物体在接触面上产生了分子,原子性的粘合,从而导致了摩擦。因此摩擦力是一种电磁力。以上这两种学说都只能较成功地解释某些或某部分的摩擦现象。其实当两个物体相接触时,有三种不同的情况:

1.接触点

两个表面真正接触的部份由于正压力的作用,接触点都受到压缩,一般情况下属于弹性形变表层的两个分子之间的距离小于分子的有效直径,形成“ 冷焊” 要拉断它们的,必须使它们之间的距离增大到分子力为0时。因此接触点在接触面较光滑时对摩擦力的贡献较大。

2.交错点

这些点没有相互接触,但伸入到中心线以上,互相交错当物体相对运动时, 它们将发生碰撞,产生阻碍物体的相对运动或者相对运动趋势,消耗物体的动能因此交错点在接触面较粗糙的时候对摩擦有较大的贡献。

3.脱离部份

既不接触, 也没有交错的部份在这些点上,两表面的分子之间没有相互作用力,对摩擦力没有贡献。

我们可以归纳产生摩擦的两个主要原因:一是物体表面的粗糙不平;二是物体两接触面的分子、原子和电荷之间的引力作用。那么这两种原因分别在什么情况下对摩擦的产生起主要作用呢?物体表面比较粗糙的时候,微粒之间的作用力只发生在两个接触面凸起部分相接触的地方,作用力很小,可以忽略不计。在这种情况下,摩擦力主要是由于物体表面的粗糙不平,两个接触面的凹凸部分即交错点相互啮合引起的。物体表面非常光滑的时候,物体的两个接触面充分接触,许多部分间的距离已经小到微粒的作用力范围之内,这些部分即接触点之间的作用力不能忽略。在这种情况下,摩擦力主要是由分子、原子和电荷之间的引力引起的。这就可解释“ 接触面越光滑,摩擦力越大” 的现象。因为接触面越光滑,发生引力作用的分子越多,摩擦力就越大。

二、静摩擦力大小方向理解的几点补充。

1.静摩擦力跟滑动摩擦力不一样,它不是一个定值,其值 。当物体间有相对运动的趋势时,交错点间就会产生阻碍作用,相对运动趋势越大起阻碍作用的交错点的数量就会越多,阻碍作用就会越明显,所以此时的静摩擦力力就会变大,直到物体开始相对滑动。

2.最大静摩擦力比滑动摩擦力稍大。

可用摩擦力产生的微观机制来解释。当物体有相对运动的趋势的时候,交错点之间会有力的作用,从而阻碍物体的相对运动趋势。这就是静摩擦力,当物体要运动而没有运动时,产生阻碍作用的交错点是最多的,从而产生最大的静摩擦力。而物体之间发生了滑动的时候,两个接触面的交错点部分相互碰撞,产生断裂、磨损。从而减少了交错点之间的相互阻碍作用, 因此滑动时凹凸啮合对摩擦力的贡献相对较小,所以最大静摩擦力会比滑动摩擦力稍大些。

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