摩擦现象及其本质.docVIP

关于摩擦现象及其本质 摩擦有干摩擦和湿摩擦两种。干摩擦是固体表面之间的摩擦，又叫外摩擦；湿摩擦是液体内部或液体和固体的摩擦，又叫内摩擦。此外干摩擦又分静摩擦和滑动摩擦、滚动摩擦。 （1）静摩擦和滑动摩擦 静摩擦：设有两个物体A和B(如货物和地板)相互接触，如图所示。我们推货物时如果用力F较小就推不动。A不动的事实表明，B对A的摩擦力和外力F大小相等，方向相反，这种摩擦力是在A和B相对静止但却具有相对运动趋势的情况下发生的，称为静摩擦力。 当外力逐渐增大时，静摩擦力也增大。但当外力达到某一数值时，A开始移动。可见静摩擦力增到一定数值后就不能再增大了，这一数值的静摩擦力叫做最大静摩擦力（如图所示）。实验证明：最大静摩擦力f0与接触面间的正压力FN成正比，即f0=μ0FN，式中的μ0叫做静摩擦系数，它由相互接触物体的质料和表面情况(如粗糙程度、干湿程度)决定。表1中列举某些μ0的数值。 表1 相互接触的物体对 μ0 钢—钢（干面） 0．15 钢—钢（涂油面） 0．12 金属—木材（干面） 0．5 金属—木材（涂油面） 0．1 金属—皮带（干面） 0．56 必须注意，静摩擦力的大小由外力F的大小决定，可随外力F的增大取0到f0之间的各个数值。当外力Ff0时，物体A相对于B发生运动。 图3－25 滑动摩擦：当物体间有相对滑动时，出现一种阻止物体间相对运动的表面接触力，这个力和相对运动速度方向相反，叫做滑动摩擦力。滑动摩擦力不但与物体的质料、表面情况以及正压力有关，一般还和相对速度v有关。在滑动刚开始发生时，滑动摩擦力比最大静摩擦力小，而且随着相对速度的增大而继续减少，以后又随着相对速度的增大而增加。滑动摩擦力f随相对速度v的变化关系可粗略用图3-25表示。 实验表明，滑动摩擦力f也和正压力FN成正比，即式中μ称为滑动摩擦系数，它和相对滑动速度v有关。对于两个给定表面，滑动摩擦实际上与接触表面面积的大小无关。 （摘自高等教育出版社 赵凯华、罗蔚茵编著《力学》第69页至第71页） （2）滚动摩擦 在水平面上推动圆柱形的滚子，如果不继续推它，就会慢慢停下来。我们将圆柱形的滚子看成刚体，根据刚体对质心轴的转动定理，滚子必然受到一个与滚子角速度方向相反的力矩，这就是“滚动摩擦力矩”。 图3－26 设一个重为W的圆柱体在水平面上静止，则支撑面的形变是对称的，如图3-26甲所示。 当圆柱体在水平面上滚动时，支撑面的形变是不对称的，如图3-26乙所示。支撑面将给圆柱体一个作用力N。 如图3-26丙所示，将作用力N分解为竖直方向的N0和水平方向的f，N0可看成水平面对圆柱体的支持力，与重力W平衡；f则看成水平面对圆柱体的摩擦力，即滚动摩擦力。 将竖直方向的N0平移至圆柱体的质心，并附加一个力矩M，这个力矩将阻碍圆柱体的转动，称为“滚动摩擦力矩”，显然M=N0δ，δ称为“滚动摩擦系数”，它与接触面的材料、粗糙程度和滚动速率有关。接触面越硬，形变越小，N0偏离转轴的距离δ越小，“滚动摩擦力矩”越小。 若圆柱体的半径为r，取μ′=δ／r称为滚动阻力系数，与滚动快慢、接触面的材料以及形变程度均有关。表2中列出了几种典型的μ′值。 表2 典型路面 μ′ 良好的沥青或混凝土 0．010～0．018 一般的沥青或混凝土 0．018～0．020 坑洼的卵石路面 0．035～0．050 泥泞土路 0．100～0．250 结冰路面 0．010～0．030 同时，滚动摩擦力的力矩等于“滚动摩擦力矩”，即fr=δN0 则滚动摩擦力f=μ′W 一般来说，比较表1和表2可知，滚动阻力系数μ′μ0，同时μ′μ，所以使滚子转动比使滚子平移要省力，也就是常说的，滚动摩擦比滑动摩擦小。 （3）流体与固体之间的摩擦 流体（气体和液体）不会对与它相对静止的物体施加摩擦力，但对在其中运动的物体施加阻力。除流体本身的密度和粘滞性外，阻力f的大小还与运动物体的速度v、横截面积S和形状等因素有关。 比较小的物体，在粘性较大的流体中缓慢运动时，所受的粘滞阻力f与物体运动速度v、横截面积S的方根、粘滞系数η成正比。例如球形物体受到的粘滞阻力为 f=6πηvr r为球的半径，v为球体运动的速度，η为流体的粘滞系数。这就是著名的斯托克斯公式。例如雾中水滴降落、血细胞在血浆中下沉等属于这种情景。 比较大的物体，在粘性较小的流体中快速运动时，所受的粘滞阻力f与物体运动速度v的平方、横截面积S成正比，与粘滞系数η无关。例如圆柱体受到的粘滞阻力为 f=CDρdlv2 ρ、d、l分别表示流体密度、圆柱体的直径和长度，CD为阻力系数。例如汽车的运动属于这种情景。 （摘自高等教育出版社，漆安慎、杜婵英编著《力学》第305页至第307页） 摩擦在实际中具有很重要的意义。摩擦的害处主要是消耗大