提及磨擦力,人们常常第一印象就是阻挠物体运动的力,可事实上真的这么吗?虽然生活中磨擦力就和真菌一样,有些恼人的真菌会引起人体发生各类癌症,但同时好多真菌像双歧球菌等恰是人体离开不了的。磨擦力也是,有好多磨擦力确实是造成机械锈蚀和故障的诱因摩擦力总是与运动方向相反,但与此同时,人类离开磨擦力可以说哪些都做不了,甚至走路都走不了。好了,话不多说,谈谈明天的主角:磨擦力。
关于磨擦力
目前,化学学上对磨擦力的定义是:妨碍物体相对运动(或相对运动趋势)的力称作磨擦力。
依据物体和接触面的运动情况可以简单分为:滑动磨擦力,静磨擦力和滚动磨擦力(实际上滚动磨擦力本质上也是静磨擦力,旁边有机会会和你们详尽剖析)。
磨擦力
滑动磨擦力
在所有的磨擦力类型中,滑动磨擦力是最常见也最容易理解的。由于存在相对滑动,所以形成磨擦力,磨擦力的方向和相对滑动的方向相反。在右图中,小人推着木架以速率v在水平面上往右运动,此时地面给木架一个相反方向的磨擦力f,方向向左,特别值观,好理解。并且这个磨擦力f的大小和袋子的重量成反比,所以越重的袋子越难加快。我们把和磨擦力和正压力的比值叫做磨擦质数μ。
滑动磨擦力
静磨擦力
还是刚刚的这个小人推袋子的模型,假若由于袋子太重,小人推不动而没有和地面发生相对滑动,此时有磨擦力的存在吗?有的,这个时侯的磨擦力就是静磨擦力。不要忘掉了磨擦力的定义,妨碍相对运动趋势的力也叫磨擦力。怎样判别相对运动的趋势呢?办法就是假定接触面没有磨擦力,物感受如何运动,即是运动的趋势。例如下边这个袋子,假如和地面之间没有磨擦力,这么很容易的会被推向左侧运动,这么相对运动趋势就是往右的,所以这个时侯遭到的静磨擦力f方向就是向左的。
静磨擦力
关于单车模型
车轮所遭到的磨擦力类型
简单的了解磨擦力的知识之后,我们来讨论一下单车车轮遭到的磨擦力的情况。首先,车轮所受的磨擦力是哪一种类型呢?
我们来看,车轮在行驶过程中,车轮边沿上质点转动的线速率和单车运动的速率大小是相同的,每位质点的相对于地面的运动都是这两种运动的叠加,在与地面的接触点,这两个速率大小相同,方向相反合速率为0,所以是相对于地面静止的。得下来在单车正常行驶的过程中车轮所受到的磨擦力类型为:静磨擦力。
接触点合速率为0,相对地面静止
磨擦力方向的判定
了解车轮受的磨擦力是静磨擦力以后,我们用到前面提及的方式,分别判定一下前后轮的磨擦力方向。
先剖析一下前轮(有动力的时侯)
前轮的转动是链条推动飞轮而实现旋转,也就是我们所说的主动轮。我们假定一下假如和前轮相接触的地面是绝对光滑无磨擦,单车会如何运动?其实,前轮还是会转动,并且单车不会联通,也就是我们说的后轴会原地抱死。此时车轮上接触面的质点是向后运动,所以前轮接触点是有向后运动的趋势的,由此我们判定前轮遭到的静磨擦力是往前的。
再来剖析一下后轮。
后轮是遭到轮组往前的推力而运动的,也就是所谓从动轮。同样的方式,我们假定和后轮相接触的地面无磨擦,瞧瞧会如何?可能大部份同学会说,后轮还是和之前一样往前滚动,可事实上,假如后轮接触面无磨擦的话,后轮是往前滑动而不是转动。由于轮组给后轮的斥力是过后轮的原点也就是刚体的,是不形成转矩的摩擦力总是与运动方向相反,是不会造成后轮旋转的,所以后轮是会往前滑动。也就是说后轮接触面上的点是有往前运动趋势的,由此我们判定后轮遭到的静磨擦力方向是向后的。而正是这个静磨擦力由于不过质点,提供扭力让后轮实现转动。
这就是单车两个车轮遭到磨擦力方向相反的缘由了。
假如我们再思索一下,假如是单车在滑行或则推着单车走,两个轮子的磨擦力方向是如何的呢?这时侯两个轮子都是从动轮了,和刚刚后轮剖析推论一致都是向后的,那在推着的时侯是哪些力抵消这个磨擦力使单车往前运动呢?就是地面对脚往前的磨擦力啦。
进一步了解磨擦力
刚刚我们研究的单车模型,实际上是十分简单的模型。实际上,我们如今对于磨擦力的研究未曾停止过。例如我们常常提及的磨擦力为0的理想界面叫绝对光滑,就是说越光滑的表面磨擦力就越小吗?事实上,两块表面抛的很光滑的金属之间,因为分子充分接触斥力会减小,磨擦力反而会减小。所以关于磨擦力的本质,科学家仍在探究中,尚没有统一的推论。目前是用凸凹渐开线说和黏附说这两个理论在不同的条件下适用。
好了,关于磨擦力,就简单聊到这儿了。经过不懈努力,如今总算有将近200的关注了,谢谢诸位同学的支持!
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