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材料表面的粗糙不平导致了摩擦系数与接触面积

更新时间:2023-05-17 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

对于宏观的、具有屈服硬度的非粘性材料(通常是金属),在没有介质影响的情况下,界面上的摩擦(干摩擦)在实验中大致有几个规律,其中三个是我们在大三学的中学:ijl物理好资源网(原物理ok网)

静摩擦系数小于动摩擦系数ijl物理好资源网(原物理ok网)

摩擦系数与接触面积无关ijl物理好资源网(原物理ok网)

摩擦力的大小与滑动速率无关ijl物理好资源网(原物理ok网)

还有三个我们没见过:ijl物理好资源网(原物理ok网)

静接触时间越长,静摩擦系数越大ijl物理好资源网(原物理ok网)

滑动摩擦不连续且有抖动ijl物理好资源网(原物理ok网)

静摩擦有预位移(静摩擦时会形成一个小位移)ijl物理好资源网(原物理ok网)

其中第三项我们在日常生活中很难观察到,第一项很少能直观观察到(因为生活中很少有符合要求的金属物品),第二项很常见:使用A用粉笔磨底面,在光滑的平面上竖立摩擦,能听到很大的震动,这与脉动有关; 例如,当车辆刹车时,还可以听到摩擦脉动发出的啸叫声。ijl物理好资源网(原物理ok网)

后面会提到,为了解释摩擦现象,存在着大量的摩擦学说,这里我们只简单介绍与上述六大实验定律相关的几种常见的摩擦学说。ijl物理好资源网(原物理ok网)

首先是机械渐开线理论,这也是小学老师经常提到的理论。 这些理论认为,材料表面的粗糙度导致了摩擦的存在。 具体来说,是由于材料表面的凸点和凹坑的耦合,碰撞,以及常说的沟槽效应,即材料表面的凸点引起旁边表面的凹坑,形成一种力。ijl物理好资源网(原物理ok网)

这是最好理解的理论。 然而,这个理论实际上存在很多问题。 最致命的打击是,按照这个理论,表面越光滑,摩擦系数就越小,但是两个极其光滑的金属表面,实际上会减少摩擦。 同样,这个理论也很难解释预位移、跳跃、静摩擦系数随时间的下降。ijl物理好资源网(原物理ok网)

人们对分子间的斥力有了一定的认识后,提出了分子相互作用的理论。 该理论的基本思想是固体之间的接触部分存在分子间斥力。 表面滑动时,分子直接接触和分离,前后势能差造成摩擦的存在。ijl物理好资源网(原物理ok网)

由解析模型可知,摩擦力的大小与分子分离数成反比,与分离能成反比,进而与接触面积成反比。 由于分子分离能对位置高度敏感,因此可以推测摩擦力在很大程度上与压力无关。ijl物理好资源网(原物理ok网)

根据模型预测,摩擦力与接触面积成反比,与粗糙度负相关,与压力基本无关。 事实上,这个模型并不符合前面六个实验现象。ijl物理好资源网(原物理ok网)

专注力提升的10种方法_摩擦压力机 锻造力计算_增大摩擦力的方法有几种ijl物理好资源网(原物理ok网)

1945年提出的粘着摩擦模型综合了前两种理论(此时相对论和量子热理论已经建立很久),主要有以下几点:ijl物理好资源网(原物理ok网)

接触面处于屈服状态ijl物理好资源网(原物理ok网)

也就是说,由于表面粗糙,接触面小,接触浮力大,直接假设接触点屈服是合理的。 此时接触点浮力等于屈服浮力。 可知接触面积与压力成反比。ijl物理好资源网(原物理ok网)

在这里,分子相互作用模型的预测与摩擦力、摩擦面积和压力的实验结果之间的矛盾得到了解决。ijl物理好资源网(原物理ok网)

滑动摩擦中存在粘着和滑动的交替作用ijl物理好资源网(原物理ok网)

在动摩擦过程中,由于接触点吸热等原因,接触点会粘在一起(可以理解为点焊在一起),然后接触点因摩擦而被剪切变形力,然后开始滑动,产生动摩擦跳跃现象。ijl物理好资源网(原物理ok网)

摩擦是由包括粘附和起皱在内的多种效应叠加产生的ijl物理好资源网(原物理ok网)

尽管在接触位置假定屈服,但沟槽效应仍然存在,并且与两个接触面的硬度有关。ijl物理好资源网(原物理ok网)

事实上,通过这个模型,可以推导出两种不同硬度的金属之间的摩擦素数。 如果忽略沟槽效应,摩擦系数可以直接推导出等于剪切屈服浮力/压缩屈服浮力。ijl物理好资源网(原物理ok网)

该模型仍然存在问题,通过这种方式得出的摩擦系数与实验结果吻合得不够好。 下一个校正是校正接触部分的状态。 接触位置并非都与摩擦力平行。 如果有倾斜(如机械耦合理论所描述的那样),里面的估计就会不正确。 校正后,结果与实验吻合较好。 修正后的模型称为修正粘性模型。ijl物理好资源网(原物理ok网)

对于上述所有简化条件都适用的情况,同时考虑机械作用和分子粘附的修正粘附模型基本上可以解释这些情况下摩擦形成的原因。 更多的模型需要厚厚的一本书来介绍,但是正如我在开头提到的,这个问题仍然有些未解之谜。 人类科技发展如此之快,这确实是一件非常有趣的事情增大摩擦力的方法有几种,但直到明天我们还没有这些无处不在的力量的良好模型。ijl物理好资源网(原物理ok网)

PS:我是化学系的中学生,非专业要求。 欢迎专业人士打我耳光。ijl物理好资源网(原物理ok网)

2016/6/23 补充:抖动的解释ijl物理好资源网(原物理ok网)

下面的解释写的比较仓促,还没来得及整理成更友好的方式,先看下吧。 . . .ijl物理好资源网(原物理ok网)

在某些情况下(例如前面解释的金属摩擦),摩擦系数与速度无关,而是速度和速度递减的函数。 为了剖析这个问题,我们使用右侧显示的模型。ijl物理好资源网(原物理ok网)

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一点作匀速运动,具有减振作用的弹簧带动水平面上的块体,块体与水平面之间形成摩擦力。 首先,让我们以一种非严格的定性方式来分析这个模型:ijl物理好资源网(原物理ok网)

实际上,在这个模型中,存在一个平衡点,即当方块的移动速度为v1时,同时方块所受的力为零。 关键是这个点是否稳定平衡。 假设弹簧的宽度比平衡位置短一点,所以物体的摩擦力小于拉力,物体开始减速。 同时,因为u(v)在减小,对应的u会变大,所以摩擦力会变大。 ; 相反,如果弹簧稍长一些,物体的速度就会开始推动,摩擦力就会开始减小。 当身体从偏离平衡位置的偏离点返回时增大摩擦力的方法有几种,这两种效应都会导致身体获得能量,从而加强这些偏离。 如果这种效应足够强,模型中的对象完全有可能发生异相振荡。ijl物理好资源网(原物理ok网)

严格的规范仍然需要估算。 为了简化方式,在参考系中以相对于地面的速度v1进行处理,有一个运动多项式:ijl物理好资源网(原物理ok网)

然后展开u(x'+v1) Terra,只取一阶行列式项有ijl物理好资源网(原物理ok网)

可以通过移动参考系来消去常数项u(v1),因此最终得到一个齐次的常系数二阶常微分方程:ijl物理好资源网(原物理ok网)

熟悉这个多项式的人很容易发现,当ijl物理好资源网(原物理ok网)

多项式解是一个递增的指数函数除以一个余弦函数,也就是说振幅递减的振动。或者如果你不熟悉这个方程也没关系,你可以看到ijl物理好资源网(原物理ok网)

它对应于弹簧振子的阻尼项。 如果此项为负,则系统从耗散结构变为有能量输入的结构。ijl物理好资源网(原物理ok网)

也就是说,当弹性结构发生摩擦时,如果摩擦力随着速度的降低而减小,那么摩擦力可以为结构的下落提供能量,当满足适当的条件时,系统可以进行相位振荡,如果这个振荡频率刚好在可听范围内,你可能会看到抖动。ijl物理好资源网(原物理ok网)

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