摩擦力的产生

摩擦力(英语:friction)指两个表面接触的物体相对滑动时抵制它们的相对移动的力,是经典力学的一个名词。广义地,物体在液体和气体中运动时也受到摩擦力。

摩擦力产生的情形:

  • 一物体在另一个物体表面上滑动或将要滑动时,两个物体在接触面上会产生阻止相对运动的作用力,这种作用力称为摩擦力。
  • 物体在静止或运动状态,均可能在接触面上产生摩擦力。
  • 摩擦力与物体相对运动的方向相反。

概述

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,也不像对其它力那样精确。事实上,只有在忽略摩擦力的情况下人们才能引出力学中的基本定律。

摩擦力来源于两个物体接触面间的附着力,但摩擦力大小与接触面积大小几乎无关。

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,将机械能转化为热能并提高

固体表面之间的摩擦力分滑动摩擦、滚动摩擦、滚压摩擦和转动摩擦。在工程技术中人们使用润滑剂来降低摩擦。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。

假如润滑剂、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,但是有例外,也就是摩擦力和运动方向相同,例如:在层流的情况下这个阻力与它的速度成比例,在湍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。

固体表面之间的摩擦力

固体表面之间的静摩擦力的来因有两个:固体表面原子、分子之间相互的吸引力(化学键重组的能量需求,胶力)和它们之间的表面粗糙所造成的互相之间卡住的阻力。动摩擦力可以视为单位移动距离之能量损耗率,该等能量损耗源自于两表面互相碰撞作用之各种粒子之间。

滑动摩擦

滑动摩擦力sliding friction)总是比最大静摩擦力要小。它由正向力FN和滑动摩擦系数µ决定,它与滑动面之间的相对速度和面积无关。摩擦因数由滑动面的物质、粗糙度和(可能存在的)润滑剂所决定。

滑动摩擦力可以做正功也可以做负功,取决于滑动摩擦力的方向与物体对参考系的位移之间的夹角。滑动摩擦力作用所产生的内能(通常表现为温度升高)则为滑动摩擦力与两物体相对的位移的乘积。

滚动摩擦

滚动摩擦实际上是源自于下列两种情形

一。接触面非为完全圆滑 二。弹性体的恢复系数小于1的情形所导致的动能损耗

非完全平滑的多边形滚动时,边缘角度转折的不同斜率平面在与底部平面之撞击而转为震动及热能,被视为摩擦的一种,此种能量耗散完全无须物体接触面之间的滑动运动。唯与滑动摩擦之命名易产生混淆

弹性体恢复系数小于1的影响方式则是于接触点之压缩区,移动方向之前侧压缩区的滚动逆向力矩大于后侧之顺向恢复力矩,而造成总力矩之总和为逆向导致转速降低,转动动能散失入接触区之热能。 两显著差异的例子为在硬质地板上滚动的圆滑钢球与极软之硅胶球,前者因压缩区小且恢复系数高因此单位旋转角度的能耗小,滚动距离远,后者因压缩区大且恢复系数低,因此单位旋转角度的能耗高,滚动距离短。

一般的滚动摩擦力两个因素皆会同时发生。

滚压摩擦

假如滚动运动和滑动运动同时存在,那么这种混合摩擦也被称为滚压摩擦。

这时,摩擦力可以作正功也可以做负功,并通过相对摩擦产生内能。

转动摩擦

一个放在面上的球绕着通过接触点的法向轴转动时所产生的摩擦力被称为转动摩擦,它与转动运动的力矩T(τ)有关:

in cm

减小有害摩擦的方式(原理)

在工程技术中人们往往通过施加润滑剂或使用轴承的方法来减少摩擦,研究这个问题的科学称为摩擦学,它是机械制造的一个分科学。

固体摩擦

两个固体面互相摩擦。假如两个固体面的材料选择不当或它们之间相互施加的压力非常大的话,那么固体摩擦就会造成磨损。在不使用润滑剂或润滑剂失效的情况下会造成固体摩擦。

混合摩擦

在润滑剂不够或运动的开始会出现混合摩擦。这时摩擦面部分地区会直接接触。混合摩擦造成的磨损比固体摩擦要小。在长时间运行的状态下应该避免混合摩擦,但往往在技术工程中混合摩擦被容忍。

液体摩擦

假如两个运动面之间有一层完整的润滑剂的话,那么它们之间的摩擦是液体摩擦,两个运动面不直接接触。虽然如此通过运动面与润滑剂的分子之间的摩擦依然会有很小的磨损。

内部摩擦

内部摩擦是物质内部的原子分子相互运动所造成的能量损失。由于外部力的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,它可以由纳维-斯托克斯方程来计算。

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,线性的纳维-斯托克斯方程不能用来描写它了。

参看

外部链接

注释


参考文献