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[!--downpath--]与大多数人想象的相反,摩擦的机理还没有一个足够好的理论来解释,尽管有大量不同的摩擦理论,而且都存在不同程度的问题。 但是,这并不影响工业界使用一些近似理论进行工程开发,而在科学上,就目前的情况来看,这应该还是一个有待解决的问题。
对于宏观的、具有屈服硬度的非粘性材料(通常是金属),界面上无介质影响情况下的摩擦力(干摩擦力)在实验中大致有几个规律,其中三个是我们在 中学到的小学:
1、静摩擦系数小于动摩擦系数
2、摩擦系数与接触面积无关
3、摩擦力与滑动速度无关
还有三个我们没见过:
1、静接触时间越长,静摩擦系数越大
2、滑动摩擦不连续出现,有抖动
3、静摩擦有预位移(静摩擦时会形成一个小位移)
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:使用一块粉笔,磨底面,在光滑的表面竖立摩擦,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。
为了让非专业人士更好地理解,我觉得有必要对“啸叫”进行解释。
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:
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,让我们粗略地定性地分析一下这个模型。 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,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。
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:
再次
Terra 展开,只取一阶行列式项有
可以通过移动参考系来消去常数项u(v1)摩擦力和弹力的关系,因此最终得到一个齐次的常系数二阶常微分方程:
熟悉这个多项式的人很容易发现,当
,多项式的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。或者如果你不熟悉方程,没关系,你可以看到
对应于弹簧振子的阻尼项,若该项为负,则系统由耗散结构转变为有能量输入的结构。
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。
后面会提到摩擦力和弹力的关系,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。
第一个就是之前答主提到的机械渐开线理论,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,是由于材料表面凸起和凹痕的耦合,碰撞,以及常说的沟槽效应,即材料表面的凸起引起相邻表面的凹痕,形成一种力.
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,根据这个理论,表面越光滑,摩擦系数越小,但是就像前面回答者提到的,两个极其光滑的金属表面会使摩擦力减小,再说一遍,这个理论很难解释用于预位移、加加速度和静摩擦系数随时间的降低。
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。
由分析模型可知,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。
根据模型预测,摩擦力与接触面积成反比,与粗糙度呈负相关,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。
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构了很长时间),主要有以下几点:
接触面处于屈服状态
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。 可以看出,接触面积与压力成反比。
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。
滑动摩擦中存在粘着和滑动的交替作用
在动摩擦的过程中,由于接触点的吸热和其他诱因,接触点会粘在一起(可以理解为钎焊在一起),然后接触点会因摩擦力而被剪切变形,接触点开始滑动,从而产生动摩擦跳跃现象。
摩擦是由包括粘附和起皱在内的多种效应叠加产生的
虽然假定接触位置屈服,但沟槽效应仍然存在,但它与两个接触面的硬度有关。
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。
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不太吻合。 下一个校正是校正接触部分的状态。 接触的位置并不都与摩擦力平行。 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。 修正后结果与实验吻合较好。修改后的粘合剂模型
至此,题目的主要问题已经在很小的范围内得到了解答。 对于上述简化条件适用的情况,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。 .更多的模型需要一本很长的书才能涵盖,但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,但直到明天我们还没有这些无处不在的力量的良好模型。