|
第七节 摩擦力的本质 摩擦力 是一种非常复杂的力。摩擦现象，包括润滑现象，归根结底是固体和液体的表面现象。不论哪一种表面，以我们现有加工能力来说，不可能绝对地平，总是存在着凹凸。目前最精密的加工表面，其凹凸高度仍有0.0001mm上下。即使十分干净的固体表面，其实是由各种物质的薄膜复盖着。大约有如下几层：普通的脏污物质包括手指的油污或灰尘等各种脏污；来自大气中的分子吸附层组成的吸附分子膜；金属表面与空气中氧分子化合而形成的金属氧化膜；因车削或研磨而使金属发生的加工变质层。 库仑于1736年生于法国的昂古列姆。他的名字由于在静电学方面导出了著名的“库仑定律”而为人们所熟悉。但在他的后半生，在物理学和机械学的领域里又确立了“库仑摩擦定律”，这比起前者是有过之而无不及的业绩。当时的法国科学院对他出色的摩擦研究给予了奖励。由于他在罗什福尔港进行的摩擦研究——以“简单的各种机械理论”为题发表于1875年——而第二次受到了法国科学院给予的奖励。 以下三条被命名为库仑摩擦定律： （1）、摩擦力与作用于摩擦面的垂直力成正比，与外表面的接触面积之大小无关。 （2）、摩擦力（动摩擦的场合）与滑动速度的大小无关。 （3）静摩擦力大于动摩擦力。 关于摩擦力的机理主要有凹凸说和粘合说。凹凸说认为二面的凹凸部分主要是彼此以啮合的状态相接触。当一个面在另一个面上滑动时，上边的一个面被拱起，有些类似于斜面的摩擦。粘合说则认为二面的凹凸部分主要是彼此在凸部上以互压在一起的状态相接触。在接触面内，产生塑性流动。因高压和变形，少数脏污膜被子破坏、剥离或被贯穿，两表面的基质本身产生粘合。 凹凸说和粘合说长期得不到统一。在这里我们提出的碰撞说，就能把凹凸说和粘合说统一起来。以下就作详细的论述。 一、滑动摩擦力 如图所示，把N放在M上，并在N上施加一水平方向的力F。MN之间便会产生滑动摩擦力，它是一种很复杂的力，大至由四部分组成。 1、压力的水平分力 M、N的接触面实际上是凸凹不平的。当Ｆ= 0 时， M对N的支承力的水平分力为零，只有方向向上的分力。 当Ｆ逐渐增大时，N与M在的接触点将向Ｆ方向不断移动，这样，总效果就相当N放在一个向上的斜面上，M对N的支承力便产生一个水平分力。由斜面受力分析可知，它的大小与N的重量Ｐ成正比，它的方向与Ｆ相反。当然，这样的接触点实际上有许多个，它们的水平分力的合力就是滑动摩擦力的一部分。 2、破坏某些凸起部分的剪切力 随着F的不断增大，N物体会沿着斜面运动而稍微抬高。这样一来，就使得MN间接触点不断减少，剩下的接触点也相互靠得更近一些。当N凸起部分承受不住M对它的剪力时，这部分就会受剪切而破坏掉。物体N开始在物体M上滑动。M对N凸出部分的剪力，或N对M的剪力也是摩擦力的一部分，由于这些剪切点的数目与N物体的重量成正比，因此，滑动摩擦力的这部分也与Ｐ成正比。 3、相对运动引起的摩擦力的部分 当N物体向右运动时，必然带着其分子向右运动。在它们的接触层内，由于这种相对运动，必然引起M物体的分子对N的碰撞。这种碰撞而产生的力也是滑动摩擦力的一部分。显然，这部分摩擦力与物体的运动速度有关。当物体运动速度远小于分子平均运动速度时，它对摩擦力的影响很小，当物体运动速度很大时，它对物体的作用也就不能忽视了。 因为接触层内部分子相互碰撞的数目与接触层的大小也就是与N的重量Ｐ成正比，因此，摩擦力的这部分除了和速度相关外也与Ｐ成正比。 4、破坏分子粘合的水平剪力 如果物体分子外层带有一圈更小粒子的话，就象地球有一大气层一样，那么当两分子相距很远时，只有很小的万有引力。当它们靠近到一定程度时，一个分子便会受到另一个分子的碰撞，它们之间便会产生一种斥力。如果这两个分子再靠近一些，使得两个分子互接触而排开两分子之间的更小的粒子，这两个分子就会象两个马德堡半球那样牢牢地吸在一起 。因此，两物体的接触面上就分布着许多这种粘合点。要使物体滑动，必须破坏这些粘合点，破坏这些粘合点的剪力也是滑动摩擦力的一部分。因为粘合点的数目与N物体的重量成正比，摩擦力的这一部分同样地与Ｐ成正比。 由于上述滑动摩擦力的四部分都与Ｐ成正比，因此有： Ｆ=kＰ 式中k是滑动摩擦系数。这就是摩擦力的公式。 两物体开始作相对运时，其速度由零增加至v，在这一加速过程中要消耗一定的摩擦力。与此同时，在摩擦层内的一些物质分子团块会开始产生转动。这种转动也要消耗一定的摩擦力。因此静滑动摩擦系数稍微要大一点。 二、滚动摩擦力的起源 滚动摩擦力的起源与滑动摩擦力的起源有着相同的机理。但它们的大小有显著的不同。 由理论力学可知，若轮R在水平面上作纯滚动，则接触点C是速度瞬心，它与水平面的相对速度是零。对应于滑动摩擦力的第三部分，因为C点速度为零的缘故，要小很多。对应于滑动摩擦力的第二、第四部分，也因为破坏分子间剪切力和粘合力的方向不同于滑动时的情况，破坏这些剪切点与粘合点所需的力比滑动时也要小，因此，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。 实际上，宏观上的摩擦，必然导致微观上的碰撞。摩擦力实际上也是一种碰撞力。 |