淺議摩擦力的本質(zhì)

李愛琴　劉建華

【摘 要】摩擦力可分為干摩擦力和濕摩擦力,流體間或流體與固體間的摩擦叫做濕摩擦力。干摩擦力包括靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力。本文對(duì)常見的干摩擦力與濕摩擦力進(jìn)行了敘述,描述了他們的基本定義,并對(duì)摩擦力的本質(zhì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

【關(guān)鍵詞】干摩擦力 濕摩擦力 接觸面

一、摩擦力的種類

摩擦力是物體與物體相接觸時(shí),在接觸面上產(chǎn)生一種阻止它們相對(duì)滑動(dòng)的作用力。固體與固體的接觸面上有摩擦,這類摩擦稱為干摩擦,固體與液體的接觸面或固體與氣體的接觸面上的摩擦,稱為濕摩擦。在干摩擦中,摩擦力按其性質(zhì)可分為靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力和滾動(dòng)摩擦力三種。不同性質(zhì)的摩擦力,影響其大小的因素亦不相同。

1.干摩擦力

(1)靜摩擦力

靜摩擦力產(chǎn)生在兩個(gè)直接接觸、相對(duì)靜止但又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)的物體之間。而相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)產(chǎn)生的原因是有外力作用,因此,產(chǎn)生靜摩擦力的條件不僅包括接觸面不光滑、有正壓力,還需要有外力作用。靜摩擦力的大小與指向都取決于相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)。靜摩擦力的指向自然與接觸面上相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)的指向相反。靜摩擦力的大小取決于外力大小,在不超出最大靜摩擦力的范圍時(shí),外力越大,靜摩擦力越大。一旦超出最大靜摩擦力的范圍,物體便開始滑動(dòng),靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力。那么最大靜摩擦力與什么有關(guān)呢?實(shí)驗(yàn)查明,最大靜摩擦力f_max與兩物體之間的正壓力N成正比,與接觸面的面積無關(guān),與接觸面的性質(zhì)有關(guān)。實(shí)踐證明f_S≤f_max=μ_SN。

(2)滑動(dòng)摩擦力

當(dāng)外力超出最大靜摩擦力的范圍時(shí),物體便開始滑動(dòng),摩擦力繼續(xù)存在,只是靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力。物體沿著接觸面相對(duì)滑動(dòng),接觸面上阻止相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力稱為滑動(dòng)摩擦力?；瑒?dòng)摩擦力的指向自然是與接觸面上相對(duì)滑動(dòng)的指向相反?；瑒?dòng)摩擦力的大小隨相對(duì)滑動(dòng)速度而變,相對(duì)滑動(dòng)速度從零逐漸增大,滑動(dòng)摩擦力則相應(yīng)地從最大靜摩擦力fmax=μN(yùn)逐漸減小。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在動(dòng)摩擦因數(shù)一定時(shí),滑動(dòng)摩擦力的大小正比于接觸面上的正壓力N。即:f_K=μN(yùn),其中μ稱為滑動(dòng)摩擦因數(shù),滑動(dòng)摩擦因數(shù)反映物體表面的粗糙程度,反過來說就是物體表面的粗糙程度決定了動(dòng)摩擦因數(shù),而滑動(dòng)摩擦力是兩個(gè)有不光滑接觸,有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體間的相互作用,因此動(dòng)摩擦因數(shù)也不是單獨(dú)由某一物體表面粗糙程度決定的,而是由兩個(gè)有相互作用摩擦力的物體的接觸面粗糙程度決定的。

2.濕摩擦力

物體相對(duì)于液體或氣體而運(yùn)動(dòng)時(shí),沿著接觸面上也有阻止相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力,這種摩擦力稱為濕摩擦力。沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)也就沒有濕摩擦力,濕摩擦力不存在靜摩擦力,不論多小的力都能推動(dòng)物體使其在液體或氣體中運(yùn)動(dòng)。濕摩擦力的指向自然與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度指向相反。濕摩擦力的大小則隨著相對(duì)運(yùn)動(dòng)的加快而增大。物體一開始運(yùn)動(dòng),濕摩擦力也就出現(xiàn)。起初,濕摩擦力比較小,隨著物體速度加快,濕摩擦力隨之而增大。最后,物體達(dá)到某個(gè)速度,其相應(yīng)的濕摩擦力與所加推動(dòng)力相等,物體保持這一速度而作勻速運(yùn)動(dòng),這一速度稱為極限速度。如物體的初速度超過極限速度,則濕摩擦力大于所加推動(dòng)力,運(yùn)動(dòng)變慢,最后也是達(dá)到極限速度而作勻速運(yùn)動(dòng)。極限速度的大小顯然與所加推動(dòng)力的大小有關(guān)。

二、對(duì)摩擦力的本質(zhì)的探究

最早對(duì)摩擦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的代表性人物是文藝復(fù)興時(shí)期的達(dá)?芬奇。他對(duì)表面光滑程度不同的物質(zhì)的摩擦作了比較,提出物體間的摩擦程度取決于物體表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,摩擦力愈大,即固體表面的凹凸程度是產(chǎn)生摩擦的根本原因。這一想法后來逐步被發(fā)展為一種學(xué)說——凹凸說。該學(xué)說認(rèn)為,物體表面無論經(jīng)過何種加工,都必然留下或大或小的凹凸,這種表面凹凸不平的物體相互接觸,就必然產(chǎn)生摩擦。對(duì)于摩擦力的另外一種看法是分子說。這是由英國(guó)的物理學(xué)家德薩古利埃提出的。他認(rèn)為,摩擦力產(chǎn)生的原因是摩擦面上的分子力相互交錯(cuò)所致。該學(xué)說指出,物體表面愈是光滑,摩擦面愈是相互接近,表面分子力就愈大,這樣摩擦力也就愈大。但是這種學(xué)說由于加工技術(shù)上的原因,一直沒有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。進(jìn)入20世紀(jì)以后,一個(gè)叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量損失,是因固體表面分子引力場(chǎng)的相互干涉所致,與凹凸程度無關(guān)。而另一名著名的學(xué)者哈迪,他進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),從而證明了分子說的正確性。哈迪的實(shí)驗(yàn)為分子說提供了有力的證據(jù),分子說因而獲得了廣泛的承認(rèn),并被進(jìn)一步發(fā)展為“粘合說”。但是,凹凸說并沒有因分子說和粘合說的進(jìn)展而被完全廢棄,它與對(duì)立的分子說和粘合說都持之有據(jù),言之有理。有人在這兩者的基礎(chǔ)上提出了包含凹凸說內(nèi)容的綜合性的現(xiàn)代粘合論。

1.凹凸嚙合說

從15世紀(jì)至18世紀(jì),科學(xué)家們提出的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論,嚙合說認(rèn)為摩擦是由于互相接觸的物體表面粗糙不平產(chǎn)生的。兩個(gè)物體接觸擠壓時(shí),接觸面上很多凹凸部分就相互嚙合。如果一個(gè)物體沿接觸面滑動(dòng),兩個(gè)接觸面的凸起部分相碰撞,產(chǎn)生斷裂、摩損,就形成了對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙。

2.粘附說

最早由英國(guó)學(xué)者德薩左利厄斯提出,他認(rèn)為兩個(gè)表面拋得很光的金屬,摩擦?xí)龃?可以用兩個(gè)物體的表面充分接觸時(shí)它們的分子引力將增大來解釋。上世紀(jì)以來,隨著工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展,誕生了新的摩擦粘附論,該理論認(rèn)為兩個(gè)互相接觸的表面,無論做得多么光滑,從原子尺度看還是粗糙的,有許多微小的凸起,把這樣的兩個(gè)表面放在一起,微凸起的頂部發(fā)生接觸,微凸起之外的部分接觸面間有10-8 猰或更大的間隙。這樣,接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個(gè)壓力很小,微凸起的頂部發(fā)生彈性形變;如果法向壓力較大,超過某一數(shù)值,超過材料的彈性限度,微凸起的頂部便發(fā)生塑性形變,被壓成平頂,這時(shí)互相接觸的兩個(gè)物體之間距離變小到分子引力發(fā)生作用的范圍,于是,兩個(gè)緊壓著的接觸面上產(chǎn)生了原子性粘合。這時(shí)要使兩個(gè)彼比接觸的表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),必須對(duì)其中的一個(gè)表面施加一個(gè)切向力,來克服分子間的引力,剪斷實(shí)際接觸區(qū)生成的接點(diǎn),這就產(chǎn)生了摩擦。在現(xiàn)代摩擦理論中,還加進(jìn)了靜電作用。光滑表面摩擦過程中可能帶上異號(hào)電荷,它們之間的靜電作用,也是摩擦力的一個(gè)原因。

參考文獻(xiàn):

[1]徐行.力學(xué)[M].內(nèi)蒙古人民出版社,1993.

[2]梁昆淼.力學(xué)(上冊(cè))[M].高等教育出版社,1998.

[3]李迺伯.物理學(xué)[M].高等教育出版社,1999.

[4]李椿,夏學(xué)江.大學(xué)物理[M].高等教育出版社,1998.