摩擦力
物理学名词
两个相互接触并挤压的物体,当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力(Ff或f)。
特征特性
摩擦力与相互摩擦的物体有关,因此物理学中对摩擦力所做出的描述不一般化,也不像对其它的力那么精确。没有摩擦力的话鞋带无法系紧,螺丝钉和钉子无法固定物体。
摩擦力内最大的区分是静摩擦力与其它摩擦力之间的区别。有人认为静摩擦力实际上不应该算作摩擦力。其它的摩擦力都与耗散有关:它使得相互摩擦的物体的相对速度降低,并将机械能转化为热能
固体表面之间的摩擦力分滑动摩擦滚动摩擦、静摩擦、滚压摩擦和转动摩擦。在工程技术中人们使用润滑油来降低摩擦。假如相互摩擦的两个表面被一层液体隔离,那么它们之间可以产生液体摩擦,假如液体的隔离不彻底的话,那么也可能产生混合摩擦。气垫导轨是利用气体摩擦来工作的。润滑油气垫导轨的工作原理都是利用“用液体或气体(即流体)摩擦来代替固体摩擦”来工作的。
假如润滑油、液体或气体沿一个固体表面流动,其流速会受摩擦力的影响而降低。固体表面的构造对这个摩擦力的影响比较小,最主要的是流体的横截面面积。其原因是不仅在流体与固体的交面有摩擦力,流体内部不同的层之间也有内部摩擦,流体离固体表面的距离不同,其流速也不同。
一个相对于一个流体运动的物体受到阻力。这个阻力与它的运动方向相反。在层流的情况下这个阻力与它的速度成比例,在紊流中这个阻力与它的速度的平方成比例。有时一个物体同时受到阻力和摩擦力,比如一辆汽车在运动时既受到空气的阻力也受到其轮胎的滚动摩擦。(摩擦力有时能使物体运动,与阻力不同。)
条件
①物体间相互接触并挤压;
②物体接触面粗糙;
③物体间有相对运动或相对运动趋势。
利用与防止
增大有益摩擦的方法
(1)增大物体接触面的粗糙程度;
(2)增大压力;
(3)变滚动摩擦为滑动摩擦等。
减小有害摩擦的方式
(1)变滑动摩擦为滚动摩擦;
(2)使接触面分离;
(3)减小压力;
(4)减小物体接触面的粗糙程度等。
在工程技术中人们往往通过施加润滑油的方法来减少摩擦,研究这个问题的科学称为摩擦学,它是机械制造的一个分支科学。
分类
摩擦力分为滑动摩擦力静摩擦力滚动摩擦力三种。
滑动摩擦力
一个物体在另一个物体表面发生滑动时,接触面间产生阻碍它们相对运动的摩擦力,称为滑动摩擦力。滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反。滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度的大小和压力大小有关。压力越大,物体接触面越粗糙,产生的滑动摩擦力就越大。例如用黑板擦擦黑板时两者产生的滑动摩擦力。
研究滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关系的实验:实验时为什么要用弹簧秤拉木块做匀速直线运动?这是因为弹簧秤测出的是拉力大小而不是摩擦力大小。当木块做匀速直线运动时,木块水平方向受到的拉力和木板对木块的摩擦力就是一对平衡力。根据二力平衡的条件,拉力大小应和摩擦力大小相等。所以测出了拉力大小也就是测出了摩擦力大小。大量实验表明,滑动摩擦力的大小只跟接触面所受的压力大小、接触面的粗糙程度相关。压力越大,接触面越粗糙,滑动摩擦力就越大。
滑动摩擦力是阻碍相互接触物体间相对运动的力,不一定是阻碍物体运动的力。即摩擦力不一定是阻力,它也可能是使物体运动的动力,要清楚阻碍“相对运动”是以相互接触的物体作为参照物的。“物体运动”可能是以其它物体作参照物的。如:生活中,传送带把货物从低处送到高处,就是靠传送带对货物斜向上的摩擦力实现的。
研究实际问题时,为了简化往往采用“理想化”的做法,如某物体放在另一物体的光滑的表面上,这“光滑”就意味着两个物体如果发生相对运动时,它们之间没有摩擦。
滑动摩擦力的方向总是沿接触面,并且与物体相对运动方向相反。
当物体的压力大小和接触面粗糙程度相同时,滑动摩擦力的大小与接触面面积的大小无关。
摩擦力的大小、方向与物体运动方向及速度大小无关。
公式:f=μ×Fn(Fn:正压力,不一定等于施力物体的重力 μ:动摩擦因数,是数值,无单位)。
静摩擦力
两个物体相互接触并相互挤压,而又相对静止的物体,在外力作用下如只具有相对滑动趋势,而又未发生相对滑动,则它们接触面之间出现的阻碍发生相对滑动的力,(两个相互接触的物体将要发生而尚未发生相对运动时产生的摩擦力)叫做静摩擦力。
一个物体相对它随外力的变化而变化,当静摩擦力增大到最大静摩擦时,物体就会运动起来。大小:静摩擦力根据外力而变化,但有一个最大值,叫做最大静摩擦力。最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。方向:跟接触面相切,跟相对运动趋势的方向相反。
滚动摩擦力
一个物体在另一个物体表面滚动时,由于两物体在接触部分受压发生形变而产生的对滚动的阻碍作用,叫做滚动摩擦力。
滚动摩擦力,是物体滚动时,接触面一直在变化着,物体所受的摩擦力。它实质上是静摩擦力。接触面软,形状变化愈大,则滚动摩擦力就愈大。一般情况下,物体之间的滚动摩擦力远小于滑动摩擦力。在交通运输以及机械制造工业上广泛应用滚动轴承,就是为了减少摩擦力。例如,火车的主动轮的摩擦力是推动火车前进的动力。而被动轮所受之静摩擦则是阻碍火车前进的滚动摩擦力。
内部摩擦
内部摩擦是物质内部的原子或分子相互运动所造成的能量损失。由于外部力作用所造成的不同部位的粒子的加速度的不同可以造成(比如液体)内部的相对运动。内部摩擦的大小与物质的粘性有关。不像固体表面的摩擦那样含糊,内部摩擦可以通过统计力学的方式相当精确地计算出来。在力学中一般人们在计算时尽量省略摩擦所造成的损失,在流体力学中内部摩擦是理论中的一个内在部分,它可以由奈维尔-史托克斯方程式来计算。
流变学是研究复杂的流体(比如悬浮液或高分子化合物)的学科。在这些液体中的内部摩擦非常复杂,线性的奈维尔-史托克斯方程式不能用来描写它了。
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力本质的理论。啮合说认为摩擦是由相互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互碰撞,产生断裂、磨损,就形成了对运动的阻碍。
粘附说
这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦力本质的理论。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,摩擦力会增大,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,两个相互接触的表面,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反压力。如果这个压力很小,微凸起的顶部发生弹性形变;如果反向压力较大,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黏合。这时,要使两个彼此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。
人们通过不断试验和分析计算,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: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,尚未有定论,仍在深入讨论中。
测量
使用弹簧测力计,用钩子钩上被测物体,在水平桌面上(相对的)进行匀速直线运动,弹簧测力计上的示数即是被测物体的摩擦力的大小(粗略)弹簧的拉力等于摩擦力。加速运动,摩擦力不变。
参考资料
摩擦力.911查询.
最新修订时间:2024-12-12 15:14
目录
概述
特征特性
参考资料