有趣的動(dòng)摩擦因數(shù)

韋娟

摘 要：動(dòng)摩擦因數(shù)是中學(xué)物理中一個(gè)沒(méi)有單位的比值，動(dòng)摩擦因數(shù)又稱(chēng)之為動(dòng)摩擦系數(shù)，物理學(xué)上用一個(gè)希臘字母μ表示，不同材料間物體的動(dòng)摩擦因數(shù)不同，決定動(dòng)摩擦因數(shù)大小的是接觸面的材料和粗糙程度以及接觸面間的溫度等情況，動(dòng)摩擦因數(shù)大小可以大于1。

關(guān)鍵詞：動(dòng)摩擦因數(shù)；粗糙度；溫度；表面分子結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）5-0062-2

動(dòng)摩擦因數(shù)又稱(chēng)之為動(dòng)摩擦系數(shù)，物理學(xué)上用一個(gè)希臘字母μ表示，這個(gè)值是彼此接觸的兩個(gè)物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)滑動(dòng)摩擦力和正壓力之間的比值。不同材料物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)不同，物體越粗糙，動(dòng)摩擦因數(shù)越大。動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)量可以根據(jù)公式μ=■計(jì)算得出。由于滑動(dòng)摩擦力和正壓力的單位均是牛頓，所以動(dòng)摩擦因數(shù)是沒(méi)有單位的。但是，動(dòng)摩擦因數(shù)是物體本身的固有屬性，只與物體本身有關(guān)，與有沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及有沒(méi)有正壓力無(wú)關(guān)。所以，不能說(shuō)動(dòng)摩擦因數(shù)μ與摩擦力成正比、與正壓力成反比。動(dòng)摩擦因數(shù)的大小與兩個(gè)接觸面的材料和粗糙程度等情況有關(guān)。

1 表面粗糙程度影響動(dòng)摩擦因數(shù)大小

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，其兩波峰或兩波谷之間的距離很小，它屬于微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度越小，則表面越光滑。表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如，加工過(guò)程中刀具與零件表面間的摩擦、切削分離時(shí)表面層金屬的塑性變形以及工藝系統(tǒng)中的高頻振動(dòng)等。由于加工手段和工件材質(zhì)的不同，被加工物體表面留下的痕跡深淺、疏密、形狀和紋理都有差別。許多金屬看似非常的光滑，可是當(dāng)用掃描隧道電子顯微鏡觀察時(shí)，我們可以看清原子級(jí)別的圖像，很整齊的金屬表面居然表面也會(huì)高低不平。所以，當(dāng)兩個(gè)物體在一起摩擦?xí)r凹凸部分會(huì)卡在一起，在移動(dòng)的時(shí)候卡在一起的部分就會(huì)發(fā)生磨損和斷裂，這也就決定了動(dòng)摩擦因數(shù)的大小，因而表面越粗糙動(dòng)摩擦因數(shù)越大。生活中絕對(duì)光滑的表面是沒(méi)有的，我們可以減少動(dòng)摩擦因數(shù)，但是無(wú)法避免，所以動(dòng)摩擦因數(shù)不可能為零。

2 溫度影響動(dòng)摩擦因數(shù)大小

溫度變化時(shí)會(huì)影響材料分子的各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的熱運(yùn)動(dòng)能力，而且會(huì)影響分子間的間距，而材料的動(dòng)摩擦因數(shù)作為最常用的一項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，也就受到了溫度變化的影響。一般來(lái)講，隨著環(huán)境溫度的升高，材料表面的動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)有一定的變化，但變化的大小因材料而異。溫度不同會(huì)導(dǎo)致動(dòng)摩擦因數(shù)的顯著變化，需要通過(guò)實(shí)際檢測(cè)獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。某種材料的動(dòng)摩擦因數(shù)可能會(huì)隨著溫度的變化出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)或減少，也有可能保持了一定的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。舉個(gè)例子我們就能理解這個(gè)問(wèn)題，生活中我們都看過(guò)F1賽車(chē)，研究表明F1賽車(chē)輪胎的最佳工作溫度高達(dá)90 ℃—110 ℃。如果輪胎達(dá)不到這樣的溫度，它就會(huì)無(wú)法發(fā)揮出應(yīng)有的抓地力，變得容易打滑。所以，在把輪胎裝上F1賽車(chē)之前，車(chē)隊(duì)工作人員會(huì)先把輪胎放到一個(gè)叫做“暖胎寶”的特殊電熱毯里，盡量使輪胎保持工作溫度。而這里輪胎的溫度變化對(duì)其橡膠材料的動(dòng)摩擦因數(shù)大小影響在實(shí)際中就顯得尤為重要。

3 各種材料表面的不同分子結(jié)構(gòu)影響動(dòng)摩擦因數(shù)大小

各種材料由于其表面的分子結(jié)構(gòu)排列不一樣，因而各種材料之間的動(dòng)摩擦因數(shù)大小也不一樣，常見(jiàn)的幾種材料在常溫常壓下，接觸面間動(dòng)摩擦因數(shù)大小是這樣的情況：鋼-鋼（0.25），鋼-木（0.40），鋼-冰（0.02），木-木（0.30），木-冰（0.03），木-皮革（0.30），橡膠輪胎-水泥路面（0.70）。而有些材料的動(dòng)摩擦因數(shù)還和摩擦?xí)r的條件有關(guān)，例如玻璃和玻璃之間在干摩擦條件下的動(dòng)摩擦因數(shù)是0.4，但是在潤(rùn)滑摩擦條件下的動(dòng)摩擦因數(shù)是0.09。常見(jiàn)的金屬之間的動(dòng)摩擦因數(shù)有這樣的特點(diǎn)，相同金屬或互溶性較大的金屬之間容易發(fā)生粘著現(xiàn)象，使動(dòng)摩擦因數(shù)增大，而不同金屬之間由于互溶性比較差，它們之間不容易發(fā)生粘著，動(dòng)摩擦因數(shù)一般比較低。

4 動(dòng)摩擦因數(shù)μ可以大于1

中學(xué)物理教材中給出的兩種材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)都是小于1，一般參考書(shū)所做的習(xí)題中動(dòng)摩擦因數(shù)也是小于1，因而很多人就都認(rèn)為材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)總是小于1。事實(shí)上，兩種材料之間的動(dòng)摩擦因數(shù)也有大于1的情況。從摩擦產(chǎn)生的本質(zhì)來(lái)看，動(dòng)摩擦因數(shù)主要是接觸材料、界面粘染物或面潤(rùn)滑劑的一個(gè)力學(xué)特征。摩擦的本質(zhì)究竟是什么，直到今天人們還沒(méi)有完全研究清楚。目前比較權(quán)威的說(shuō)法認(rèn)為摩擦是由于接觸表面原子之間的附著力而引起的，當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸的時(shí)候，由于凹凸部分表面的原子靠得很近，再由于物體間的擠壓，從而形成了原子鍵，其強(qiáng)度與使固體聚集在一起的原子鍵的強(qiáng)度相差不大。兩個(gè)物體如果表面非常平滑、接觸得非常緊湊，此時(shí)表面就粘附得很牢固，在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)之前出現(xiàn)“接點(diǎn)增長(zhǎng)”，接點(diǎn)間面積就會(huì)不斷變大，最后整個(gè)幾何接觸面積變成了一個(gè)巨大的接觸點(diǎn)。此時(shí)盡管仍是在物體間的擠壓作用下形成的原子鍵，但兩物體接觸表面原子之間的凝聚力變得很大。如果此時(shí)要斷開(kāi)這種凝聚力很大的原子鍵就需要更大的外力，宏觀上顯示此時(shí)兩個(gè)物體間的摩擦力會(huì)很大甚至?xí)^(guò)正壓力，此時(shí)動(dòng)摩擦因數(shù)也就出現(xiàn)等于或大于 1。事實(shí)也是如此，實(shí)驗(yàn)測(cè)得橡皮與金屬間的動(dòng)摩擦因數(shù)1<μ<4，銦與銦間的動(dòng)摩擦因數(shù)1.5<μ<2.0，將金屬放在1.33×10～1.3×10-3～1.3×10-4 Pa的真空中，加熱到一定的溫度并保持一段時(shí)間，然后除去表面污物，冷卻后測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)μ可達(dá)5～6。

當(dāng)然，影響動(dòng)摩擦因數(shù)大小還有很多其他的因素，比如材料的表面膜的存在，因?yàn)榛ㄔ诳諝庵锌傆幸粚友趸?，這可以使動(dòng)摩擦因數(shù)降低。還有材料中載荷的影響，對(duì)大多數(shù)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，載荷的變化會(huì)直接影響到動(dòng)摩擦因數(shù)，還有振動(dòng)、光潔度、濕度等都會(huì)影響動(dòng)摩擦因數(shù)的大小。然而，中學(xué)階段我們只要掌握動(dòng)摩擦因數(shù)大小由兩個(gè)主要因素決定，即與兩個(gè)接觸面的材料、粗糙程度等情況有關(guān)，并且知道動(dòng)摩擦因數(shù)大小和兩物體接觸的面積、相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度等都無(wú)關(guān)。

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（欄目編輯 王柏廬）