力学基础文件摩擦.doc

第五章 摩擦 在第二章研究光滑面、铰链和轴承等类型的约束时，认为物体与约束之间是理想光滑的，它们之间的相互作用的力只存在于沿着接触处的公切面的法线方向，在公切面内没有作用力与反作用力。实际上，这种假设是与事实不完全相符合的，为什么这么说呢？不论加工的精度有多高，物体与接触面之间总是有凹凸不平的细部构造，物理中还提到过分子之间还有引力和静电引力等，这些因素的存在使得当物体沿着约束接触面的公切面有相对滑动（或相对滑动趋势）时，约束总会或大或小阻碍物体滑动的作用，这就是摩擦现象。下面给出摩擦的定义，若两个物体有相对滑动或相对滑动的趋势时，那么一个物体作用于另一个物体与接触面相切的阻力称之为摩擦。 摩擦按照物体与约束的相对运动情况和产生的原因的不同，又分为滑动摩擦和滚动摩擦。下面首先看看滑动摩擦的情况。 §5-1 滑动摩擦 从给出的摩擦定义，可以看出，两个物体有相对滑动或有相对滑动趋势时，都有可能产生滑动摩擦。如果两个物体在接触面内产生阻止相对运动趋势的摩擦力，这一摩擦力称之为静摩擦力，而两个物体之间一旦运动起来，这时的摩擦力就称之为动摩擦力了。 下面分析一个具体的实例来认识静摩擦力与动摩擦力的异同。设有一个重量为G的物体，放在一个表面粗糙的水平面内，此时，如果没有其他的主动力存在，那么水平面对物体的约束力，显然只有一个铅垂向上的力与平衡，如图5-1所示，称之为正压力或法向力。 GGG 图5-1 图5-2 如果在重物上加上一个水平向右的主动力，如图5-2所示，的作用使物体有了向右的滑动趋势，但仍没有运动起来，即仍保持平衡。根据平衡条件可以知道，此时平面对物体的约束力，除了存在垂直方向的正压力外，还应该有水平向左的摩擦阻力的作用，不难得到应与大小相等方向相反。的值增加或减小时，的值也会跟着增加或减小。改变作用在物体上的方向时，的作用方向也会跟着改变，所以说作用于物体上的摩擦力的大小与方向均为未定值，与物体上的主动力有关，由平衡条件来确定。 力的大小由零逐渐增大时，当的值很小时，两个接触物体之间相对静止，但它们有相对滑动的趋势，摩擦力的存在是阻碍它们发生相对滑动的，这时的摩擦力是静滑动摩擦力。 如果仔细分析物体的受力情况，还可以得到，当的值增大时，摩擦力增大，同时由于接触面之间的压力重新分布的结果，法向反力的作用线向外移动。 下面看一下临界状态：当推力的大小达到某一定值（临界值）时，物体处于将要滑动而未滑动的临界状态，这时只要略微大一点儿，或物体受某种干扰时，物体就能开始相对滑动。 这一临界状态有如下特点： 这时静滑动摩擦力的大小达到极大值,称之为最大静滑动摩擦力（或最大静摩擦力）。 法向反力的作用线也移到极限位置。 临界状态是一种平衡状态，这时作用在物体上的力系要满足平衡方程。 最大静摩擦力的大小，一方面要服从平衡方程，另一方面要服从库仑静滑动摩擦定律。 所谓库仑静摩擦定律，是库仑经过大量的实验研究提出的一种近似理论；静滑动摩擦定律的内容是最大静滑动摩擦力的大小，与物体间的正压力的大小成正比，其方向与相对滑动趋势相反，即 = 是一个无量纲的比例常数，称为静滑动摩擦系数，简称为静摩擦系数，是表示物体材料摩擦性质的一个物理量，它与接触物体的材料，表面粗糙程度，温度，干湿度有关，而一般地说，与接触面的大小无关，其值可由有关书籍查到或实验确定。 当略大于临界值时，或受到轻微的干扰时，处于临界状态的物体就要进入相对滑动阶段（即动滑动摩擦阶段）。在相对滑动阶段，物体所受到的阻碍相对滑动的摩擦力，称之为动滑动摩擦力，用表示。的方向与相对滑动的方向相反，其大小服从动滑动摩擦定律： ， 即当物体接触面之间有相对滑动时，动滑动摩擦力的大小与接触面间正压力的大小成正比。也是一个比例常数，称之为动滑动摩擦系数（简称为动摩擦系数）。它与接触面的材料及表面情况有关，当滑动速度较大时，还与相对速度有关。的值也可由有关手册查到或由实验确定。 现在列出几种常用的材料的摩擦系数如下。(表5-1摘自《机械设计手册》，第二版，表1-9，化学工业出版社，1979年。) 表5-1常用材料的滑动摩擦系数 材料名称 摩擦系数 静摩擦系数 动摩擦系数 无润滑剂 有润滑剂 无润滑剂 有润滑剂 钢-钢 0.15 0.10～0.12 0.15 0.05～0.10 钢-铸铁