淺議摩擦力的本質

李愛琴　劉建華

【摘 要】摩擦力可分為干摩擦力和濕摩擦力,流體間或流體與固體間的摩擦叫做濕摩擦力。干摩擦力包括靜摩擦力和滑動摩擦力。本文對常見的干摩擦力與濕摩擦力進行了敘述,描述了他們的基本定義,并對摩擦力的本質進行了簡單分析。

【關鍵詞】干摩擦力 濕摩擦力 接觸面

一、摩擦力的種類

摩擦力是物體與物體相接觸時,在接觸面上產生一種阻止它們相對滑動的作用力。固體與固體的接觸面上有摩擦,這類摩擦稱為干摩擦,固體與液體的接觸面或固體與氣體的接觸面上的摩擦,稱為濕摩擦。在干摩擦中,摩擦力按其性質可分為靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力三種。不同性質的摩擦力,影響其大小的因素亦不相同。

1.干摩擦力

(1)靜摩擦力

靜摩擦力產生在兩個直接接觸、相對靜止但又有相對運動的趨勢的物體之間。而相對運動趨勢產生的原因是有外力作用,因此,產生靜摩擦力的條件不僅包括接觸面不光滑、有正壓力,還需要有外力作用。靜摩擦力的大小與指向都取決于相對滑動趨勢。靜摩擦力的指向自然與接觸面上相對滑動趨勢的指向相反。靜摩擦力的大小取決于外力大小,在不超出最大靜摩擦力的范圍時,外力越大,靜摩擦力越大。一旦超出最大靜摩擦力的范圍,物體便開始滑動,靜摩擦力轉變為滑動摩擦力。那么最大靜摩擦力與什么有關呢?實驗查明,最大靜摩擦力f_max與兩物體之間的正壓力N成正比,與接觸面的面積無關,與接觸面的性質有關。實踐證明f_S≤f_max=μ_SN。

(2)滑動摩擦力

當外力超出最大靜摩擦力的范圍時,物體便開始滑動,摩擦力繼續存在,只是靜摩擦力轉變為滑動摩擦力。物體沿著接觸面相對滑動,接觸面上阻止相對滑動的摩擦力稱為滑動摩擦力。滑動摩擦力的指向自然是與接觸面上相對滑動的指向相反。滑動摩擦力的大小隨相對滑動速度而變,相對滑動速度從零逐漸增大,滑動摩擦力則相應地從最大靜摩擦力fmax=μN逐漸減小。通過實驗驗證在動摩擦因數一定時,滑動摩擦力的大小正比于接觸面上的正壓力N。即:f_K=μN,其中μ稱為滑動摩擦因數,滑動摩擦因數反映物體表面的粗糙程度,反過來說就是物體表面的粗糙程度決定了動摩擦因數,而滑動摩擦力是兩個有不光滑接觸,有相對運動的物體間的相互作用,因此動摩擦因數也不是單獨由某一物體表面粗糙程度決定的,而是由兩個有相互作用摩擦力的物體的接觸面粗糙程度決定的。

2.濕摩擦力

物體相對于液體或氣體而運動時,沿著接觸面上也有阻止相對滑動的摩擦力,這種摩擦力稱為濕摩擦力。沒有相對運動也就沒有濕摩擦力,濕摩擦力不存在靜摩擦力,不論多小的力都能推動物體使其在液體或氣體中運動。濕摩擦力的指向自然與物體相對運動速度指向相反。濕摩擦力的大小則隨著相對運動的加快而增大。物體一開始運動,濕摩擦力也就出現。起初,濕摩擦力比較小,隨著物體速度加快,濕摩擦力隨之而增大。最后,物體達到某個速度,其相應的濕摩擦力與所加推動力相等,物體保持這一速度而作勻速運動,這一速度稱為極限速度。如物體的初速度超過極限速度,則濕摩擦力大于所加推動力,運動變慢,最后也是達到極限速度而作勻速運動。極限速度的大小顯然與所加推動力的大小有關。

二、對摩擦力的本質的探究

最早對摩擦進行實驗研究的代表性人物是文藝復興時期的達?芬奇。他對表面光滑程度不同的物質的摩擦作了比較,提出物體間的摩擦程度取決于物體表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,摩擦力愈大,即固體表面的凹凸程度是產生摩擦的根本原因。這一想法后來逐步被發展為一種學說——凹凸說。該學說認為,物體表面無論經過何種加工,都必然留下或大或小的凹凸,這種表面凹凸不平的物體相互接觸,就必然產生摩擦。對于摩擦力的另外一種看法是分子說。這是由英國的物理學家德薩古利埃提出的。他認為,摩擦力產生的原因是摩擦面上的分子力相互交錯所致。該學說指出,物體表面愈是光滑,摩擦面愈是相互接近,表面分子力就愈大,這樣摩擦力也就愈大。但是這種學說由于加工技術上的原因,一直沒有得到實驗的證實。進入20世紀以后,一個叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量損失,是因固體表面分子引力場的相互干涉所致,與凹凸程度無關。而另一名著名的學者哈迪,他進行了大量的實驗,從而證明了分子說的正確性。哈迪的實驗為分子說提供了有力的證據,分子說因而獲得了廣泛的承認,并被進一步發展為“粘合說”。但是,凹凸說并沒有因分子說和粘合說的進展而被完全廢棄,它與對立的分子說和粘合說都持之有據,言之有理。有人在這兩者的基礎上提出了包含凹凸說內容的綜合性的現代粘合論。

1.凹凸嚙合說

從15世紀至18世紀,科學家們提出的一種關于摩擦本質的理論,嚙合說認為摩擦是由于互相接觸的物體表面粗糙不平產生的。兩個物體接觸擠壓時,接觸面上很多凹凸部分就相互嚙合。如果一個物體沿接觸面滑動,兩個接觸面的凸起部分相碰撞,產生斷裂、摩損,就形成了對運動的阻礙。

2.粘附說

最早由英國學者德薩左利厄斯提出,他認為兩個表面拋得很光的金屬,摩擦會增大,可以用兩個物體的表面充分接觸時它們的分子引力將增大來解釋。上世紀以來,隨著工業和技術的發展,誕生了新的摩擦粘附論,該理論認為兩個互相接觸的表面,無論做得多么光滑,從原子尺度看還是粗糙的,有許多微小的凸起,把這樣的兩個表面放在一起,微凸起的頂部發生接觸,微凸起之外的部分接觸面間有10-8 猰或更大的間隙。這樣,接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個壓力很小,微凸起的頂部發生彈性形變;如果法向壓力較大,超過某一數值,超過材料的彈性限度,微凸起的頂部便發生塑性形變,被壓成平頂,這時互相接觸的兩個物體之間距離變小到分子引力發生作用的范圍,于是,兩個緊壓著的接觸面上產生了原子性粘合。這時要使兩個彼比接觸的表面發生相對滑動,必須對其中的一個表面施加一個切向力,來克服分子間的引力,剪斷實際接觸區生成的接點,這就產生了摩擦。在現代摩擦理論中,還加進了靜電作用。光滑表面摩擦過程中可能帶上異號電荷,它們之間的靜電作用,也是摩擦力的一個原因。

參考文獻:

[1]徐行.力學[M].內蒙古人民出版社,1993.

[2]梁昆淼.力學(上冊)[M].高等教育出版社,1998.

[3]李迺伯.物理學[M].高等教育出版社,1999.

[4]李椿,夏學江.大學物理[M].高等教育出版社,1998.