摘要:磨擦力是物体与物体相接触时,在接触面上形成一种制止它们相对滑动的斥力。磨擦是一种极为普遍的热学现象,在人类生活、生产中无处不在。在磨擦中,磨擦力按其性质可分为静磨擦力、滑动磨擦力和滚动磨擦力三种。不同性质的磨擦力,影响其大小的诱因亦不相同。
关键词:磨擦力,相对运动趋势,凸凹渐开线说,达芬奇,黏附说
正文
(一)静磨擦力
只要两物体之间存在着相对滑动趋势,还会出现磨擦力。假如滑动趋势不太强,则因为磨擦力的作用,相对滑动不致真正实现,这时的磨擦力称为静磨擦力。可见静磨擦力形成的缘由是由于物体间有相对运动的趋势。而相对运动趋势形成的缘由是有外力作用,因而,形成静磨擦力的条件不仅包括接触面不光滑、有正压力,还须要有外力作用。静磨擦力的大小与指向都取决于相对滑动趋势。
既然磨擦力是制止相对滑动的斥力,静磨擦力的指向自然与接触面上相对滑动趋势的指向相反。两物体都受静磨擦力的作用,其指向分别与各该物体在接触面上的相对滑动趋势的指向相反。静磨擦力的大小也取决于相对滑动趋势,没有相对滑动趋势,就没有静磨擦力,即磨擦力大小为零;一有相对滑动趋势,静磨擦力也骤然出现。在一定条件下,物体之间相对滑动趋势一定,静磨擦力就具有与之相应的一定的大小,这一大小应该恰恰足以抵消相对滑动趋势,使相对滑动不致真正发生。为此,在具体问题中,静磨擦力的大小常常不能预先晓得,须要依照“物体之间并不真正发生相对滑动”这一条件从动力学的运动多项式估算下来。情况一旦变了,物体之间的相对滑动趋势变了,静磨擦力的大小也就急剧手动调节,使相对滑动总是不能真的发生。
然而静磨擦力的手动调节并不能无限度地进行,其最大限度称为最大静磨擦力。在不超出最大静磨擦力的范围时,外力越大,静磨擦力越大。一旦超出最大静磨擦力的范围,物体便开始滑动,静磨擦力转变为滑动磨擦力。这么最大静磨擦力与哪些有关呢?实验查明,最大静磨擦力fmax与两物体之间的正压力N成反比,与接触面的面积无关,与接触面的性质有关(如接触面的材料、接触面的粗糙程度等)。
(二)滑动磨擦力

当外力超出最大静磨擦力的范围时,物体便开始滑动,磨擦力继续存在,只是静磨擦力转变为滑动磨擦力。物体顺着接触面相对滑动,接触面上制止相对滑动的磨擦力称为滑动磨擦力。滑动磨擦力的指向自然是与接触面上相对滑动的指向相反。滑动磨擦力的大小随相对滑动速率而变,相对滑动速率从零逐步减小,滑动磨擦力则相应地从最大静磨擦力fmax=μN逐步降低。一般说滑动磨擦大于静磨擦,将静止着的物体推进比较费力,既以促进以后维持匀速运动则较省力,就是指此而言。
但相对滑动速渡过分大的时侯,滑动磨擦力又大幅减小。我们可以采取控制变量法,通过实验确切验证在动磨擦质数一定时,滑动磨擦力的大小反比于接触面上的正压力N。但由于动磨擦质数较难控制,只简略验证了在正压力一定时,滑动磨擦力与动磨擦力系数成反比这一推论。由此,可得出公式:f=μN,其中μ称为滑动磨擦质数,它取决于接触面的材料与接触面的表面状态及相对滑动速率等。在一些特殊情况下(比如材料的强度保持一定,接触面经过一定加工等等),滑动磨擦力几乎不随运动速率而变,而且差不多就等于最大静磨擦力,即μ=常数≈μS当外力等于动磨擦力时,物体受力还是平衡的,要使物体运动,就必须减小外力。
三、摩擦力带来的影响
推桌午时,假如没有推进,则椅子有一个往右的运动趋势,同时椅子会遭到一个向左的静磨擦力的作用,制约它的这些运动趋势,使椅子处于相对静止状态。传递带把货物往上运的过程中,假如没有磨擦,则货物要沿斜面下降,所以物体有沿斜面下降的趋势,所以传送带给了货物一个沿斜面向下的静磨擦力的作用,以妨碍货物向下降的运动趋势。
如果没有磨擦力,我们就不能走路了。由于既站不稳,也难以行走。诸如在冰上步行,因为冰滑,走不多远就累得满身大汗。若果没有磨擦力的话,公路比冰还滑,那时人们只有伏倒在地上就会感觉好受些。如果没有磨擦力,螺栓就不能凸缘,钉在墙壁的铁钉都会手动抬起而落出来。按照万有引力定理获知,一切物体都会在万有引力的作用下,全部集聚在了一起。家里的椅子,桌子都要聚在一起。给一点推力就就会飘动来,而且会在地上滑过来,掠过去,根本没法使用。
例如我们拿一支笔,一段小绳,把绳子缠绕在笔上,我们会发觉绳子缠绕的圈数越多越难带动,假如绳子之间有重叠的话,则更是无法带动。这中间是否存在其它影响磨擦力的诱因呢?我们剖析得到:绳子在笔上每绕一圈,绳子与笔之间就多了一圈(无数多个)接触点,二者之间的互相作用就多了无数处,即有更多的地方形成磨擦力,所有的磨擦力叠加在一起,便使合力减小了。若绳子中有重叠,则不止绳子与笔之间,连绳子与绳子之间也会有互相作用,妨碍对方运动。且这时绳子与笔的压力除直接与笔接触的绳子的压力外,也包括绳子与绳子之间的压力,这样磨擦力便随之减小,进而难带动绳子。生活中,船靠岸时总是用绳子绑住岸上的桩,也是采用多绕几圈绳子的办法来减小磨擦力的。但这儿面并不包括除正压力及动磨擦质数以外的其它影响磨擦力大小的诱因。
四、科学家对此的研究

至到明天,人们对磨擦力的本质认识得不是非常清楚。最早对磨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磨擦作了比较走路时摩擦力的方向示意图,提出物体间的磨擦程度取决于物体表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,磨擦力愈大,即固体表面的凸凹程度是形成磨擦的根本缘由。这一看法后来逐渐被发展为一种学说——凹凸说。该学说觉得:物体表面无论经过何种加工,都必然留下或大或小的凸凹,这些表面凸凹不平的物体互相接触,就必然形成磨擦。有人对此做过这样一个比喻:固体表面的接触,就像把一列山脉翻过来盖在另一列山脉上一样。由于它们的互相咬合,所以只有把凸部破坏掉,能够使之滑动走路时摩擦力的方向示意图,这便是形成制约相对运动的磨擦力的基本原理。这些学说在很长一段时间里,遭到许多人的支持。
对于磨擦力的另外一种想法是分子说。这是由德国的化学学家德萨古利埃提出的。他觉得,磨擦力形成的缘由是磨擦面上的分子力互相交错所致。该学说强调,物体表面愈是光滑,磨擦面愈是互相接近,表面分子力就愈大,这样磨擦力也就愈大。并且这些学说因为加工技术上的缘由,仍然没有得到实验的否认,因此入们对此很难接受。
(一)凸凹渐开线说
从15世纪至18世纪,科学家们提出的一种关于磨擦本质的理论,渐开线说觉得磨擦是因为相互接触的物体表面粗糙不平形成的。两个物体接触挤压时,接触面上好多凸凹部份就互相渐开线。假如一个物体沿接触面滑动,两个接触面的突起部份相碰撞,形成破裂、摩损,就产生了对运动的妨碍。
(二)黏附说
这是继凸凹渐开线说以后的一种关于磨擦本质的理论。最早由德国学者德萨左利厄斯于1734年提出,他觉得两个表面抛得很光的金属,磨擦会减小,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,对磨擦理论的研究进一步深入,到上世纪中期,诞生了新的磨擦黏附论。
以上说明影响磨擦力大小的诱因是固定的,较少的,但其表现方式却非常多元化、复杂化、只有充分了解、控制这种诱因,能够充分借助有益磨擦,防止有害磨擦,最大程度地改进生产,改善生活。
参考文献:磨擦力的本质,BBC新闻网,磨擦力的好处和
