浅议摩擦力的本质

李爱琴　刘建华

【摘 要】摩擦力可分为干摩擦力和湿摩擦力,流体间或流体与固体间的摩擦叫做湿摩擦力。干摩擦力包括静摩擦力和滑动摩擦力。本文对常见的干摩擦力与湿摩擦力进行了叙述,描述了他们的基本定义,并对摩擦力的本质进行了简单分析。

【关键词】干摩擦力 湿摩擦力 接触面

一、摩擦力的种类

摩擦力是物体与物体相接触时,在接触面上产生一种阻止它们相对滑动的作用力。固体与固体的接触面上有摩擦,这类摩擦称为干摩擦,固体与液体的接触面或固体与气体的接触面上的摩擦,称为湿摩擦。在干摩擦中,摩擦力按其性质可分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力三种。不同性质的摩擦力,影响其大小的因素亦不相同。

1.干摩擦力

(1)静摩擦力

静摩擦力产生在两个直接接触、相对静止但又有相对运动的趋势的物体之间。而相对运动趋势产生的原因是有外力作用,因此,产生静摩擦力的条件不仅包括接触面不光滑、有正压力,还需要有外力作用。静摩擦力的大小与指向都取决于相对滑动趋势。静摩擦力的指向自然与接触面上相对滑动趋势的指向相反。静摩擦力的大小取决于外力大小,在不超出最大静摩擦力的范围时,外力越大,静摩擦力越大。一旦超出最大静摩擦力的范围,物体便开始滑动,静摩擦力转变为滑动摩擦力。那么最大静摩擦力与什么有关呢?实验查明,最大静摩擦力f_max与两物体之间的正压力N成正比,与接触面的面积无关,与接触面的性质有关。实践证明f_S≤f_max=μ_SN。

(2)滑动摩擦力

当外力超出最大静摩擦力的范围时,物体便开始滑动,摩擦力继续存在,只是静摩擦力转变为滑动摩擦力。物体沿着接触面相对滑动,接触面上阻止相对滑动的摩擦力称为滑动摩擦力。滑动摩擦力的指向自然是与接触面上相对滑动的指向相反。滑动摩擦力的大小随相对滑动速度而变,相对滑动速度从零逐渐增大,滑动摩擦力则相应地从最大静摩擦力fmax=μN逐渐减小。通过实验验证在动摩擦因数一定时,滑动摩擦力的大小正比于接触面上的正压力N。即:f_K=μN,其中μ称为滑动摩擦因数,滑动摩擦因数反映物体表面的粗糙程度,反过来说就是物体表面的粗糙程度决定了动摩擦因数,而滑动摩擦力是两个有不光滑接触,有相对运动的物体间的相互作用,因此动摩擦因数也不是单独由某一物体表面粗糙程度决定的,而是由两个有相互作用摩擦力的物体的接触面粗糙程度决定的。

2.湿摩擦力

物体相对于液体或气体而运动时,沿着接触面上也有阻止相对滑动的摩擦力,这种摩擦力称为湿摩擦力。没有相对运动也就没有湿摩擦力,湿摩擦力不存在静摩擦力,不论多小的力都能推动物体使其在液体或气体中运动。湿摩擦力的指向自然与物体相对运动速度指向相反。湿摩擦力的大小则随着相对运动的加快而增大。物体一开始运动,湿摩擦力也就出现。起初,湿摩擦力比较小,随着物体速度加快,湿摩擦力随之而增大。最后,物体达到某个速度,其相应的湿摩擦力与所加推动力相等,物体保持这一速度而作匀速运动,这一速度称为极限速度。如物体的初速度超过极限速度,则湿摩擦力大于所加推动力,运动变慢,最后也是达到极限速度而作匀速运动。极限速度的大小显然与所加推动力的大小有关。

二、对摩擦力的本质的探究

最早对摩擦进行实验研究的代表性人物是文艺复兴时期的达•芬奇。他对表面光滑程度不同的物质的摩擦作了比较,提出物体间的摩擦程度取决于物体表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,摩擦力愈大,即固体表面的凹凸程度是产生摩擦的根本原因。这一想法后来逐步被发展为一种学说——凹凸说。该学说认为,物体表面无论经过何种加工,都必然留下或大或小的凹凸,这种表面凹凸不平的物体相互接触,就必然产生摩擦。对于摩擦力的另外一种看法是分子说。这是由英国的物理学家德萨古利埃提出的。他认为,摩擦力产生的原因是摩擦面上的分子力相互交错所致。该学说指出,物体表面愈是光滑,摩擦面愈是相互接近,表面分子力就愈大,这样摩擦力也就愈大。但是这种学说由于加工技术上的原因,一直没有得到实验的证实。进入20世纪以后,一个叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量损失,是因固体表面分子引力场的相互干涉所致,与凹凸程度无关。而另一名著名的学者哈迪,他进行了大量的实验,从而证明了分子说的正确性。哈迪的实验为分子说提供了有力的证据,分子说因而获得了广泛的承认,并被进一步发展为“粘合说”。但是,凹凸说并没有因分子说和粘合说的进展而被完全废弃,它与对立的分子说和粘合说都持之有据,言之有理。有人在这两者的基础上提出了包含凹凸说内容的综合性的现代粘合论。

1.凹凸啮合说

从15世纪至18世纪,科学家们提出的一种关于摩擦本质的理论,啮合说认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生的。两个物体接触挤压时,接触面上很多凹凸部分就相互啮合。如果一个物体沿接触面滑动,两个接触面的凸起部分相碰撞,产生断裂、摩损,就形成了对运动的阻碍。

2.粘附说

最早由英国学者德萨左利厄斯提出,他认为两个表面抛得很光的金属,摩擦会增大,可以用两个物体的表面充分接触时它们的分子引力将增大来解释。上世纪以来,随着工业和技术的发展,诞生了新的摩擦粘附论,该理论认为两个互相接触的表面,无论做得多么光滑,从原子尺度看还是粗糙的,有许多微小的凸起,把这样的两个表面放在一起,微凸起的顶部发生接触,微凸起之外的部分接触面间有10-8 猰或更大的间隙。这样,接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力。如果这个压力很小,微凸起的顶部发生弹性形变;如果法向压力较大,超过某一数值,超过材料的弹性限度,微凸起的顶部便发生塑性形变,被压成平顶,这时互相接触的两个物体之间距离变小到分子引力发生作用的范围,于是,两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合。这时要使两个彼比接触的表面发生相对滑动,必须对其中的一个表面施加一个切向力,来克服分子间的引力,剪断实际接触区生成的接点,这就产生了摩擦。在现代摩擦理论中,还加进了静电作用。光滑表面摩擦过程中可能带上异号电荷,它们之间的静电作用,也是摩擦力的一个原因。

参考文献:

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