關(guān)于摩擦力的一些基本理論

1、關(guān)于摩擦力的一些基本理論摩擦力是每當(dāng)一個固體沿另一個固體滑動時總會受到的運(yùn)動阻力。這個阻力與運(yùn)動方向平行，我們稱之為“摩擦力”。如果將兩個固體相互壓緊，并施加一切向力，則引起滑動所需的切向力就是“靜摩擦力”。維持滑動所需的切向力就是“動摩擦力”。動摩擦力通常小于靜摩擦力。摩擦起因 在前面已經(jīng)指出，摩擦必定是由于兩配對表面之間有相互作用而引起的，其結(jié)果產(chǎn)生相對運(yùn)動的阻力。當(dāng)兩個表面作相對運(yùn)動時，引起運(yùn)動的力就作功，也就是說，在接觸表面上有能量損耗。在研究摩擦的起因時，應(yīng)該分別研究表面相互作用和能量損耗機(jī)理。1.表面相互作用圖1 微凸體互嵌微凸體不發(fā)生變形，就不能產(chǎn)生運(yùn)動當(dāng)兩個表面相互壓緊時，會在

2、接觸區(qū)的某些部分發(fā)生粘著，因此這種粘著就是引起摩擦的表面相互作用的一種形式。如果不發(fā)生粘著，則產(chǎn)生運(yùn)動阻力的相互作用就是另一種形式，這時材料一定發(fā)生變形和產(chǎn)生位移以適應(yīng)相對運(yùn)動。我們只需研究屬于這種形式的兩個相互作用。第一個是微凸體互嵌。研究了圖1所示的情況后顯而易見，微凸體材料如不產(chǎn)生位移，表面A和B就不能作相對運(yùn)動。圖2 宏觀位移在運(yùn)動中硬球A壓向較軟的表面B時引起材料B的位移圖2說明位移式相互作用的第二個例子。圖中，一個硬球A壓向一個較軟的平面B。為了產(chǎn)生相對運(yùn)動，材料B的一部分必須作位移。雖然球A和平面B的表面在顯微鏡下都是粗糙的，但在這種情況下各個微凸體材料的位移將小于“宏觀位移”。

3、因此，我們只有粘著和材料位移這兩種相互作用形式，雖然我們發(fā)現(xiàn)把材料位移當(dāng)作微凸體互嵌或宏觀位移是方便的。2.能量損耗形式僅有三種機(jī)理能在相互作用的表面上引起顯著的能量損耗。作相對運(yùn)動時，材料必發(fā)生變形。變形可以是彈性變形，也可以是塑性變形;此外，材料也可能發(fā)生斷裂。塑性變形總是帶來能量損耗，在大多數(shù)實際情況下，這種能量損耗占金屬摩擦的大部分。當(dāng)表面相互作用為粘著式時必發(fā)生斷裂，而當(dāng)互嵌著的微凸體作相對運(yùn)動時也會引起斷裂。磨屑的形成無疑是發(fā)生斷裂的跡象。然而，在大多數(shù)滑動金屬的情況下，斷裂時的能量損耗比塑性變形所引起的能量損耗少。其中一個原因是，不是每個微凸體在接觸時都能形成磨粒，對常規(guī)大氣條件

4、下的大多數(shù)金屬而言，在形成磨粒之前，一個微凸體要作1000多次接觸。雖然使金屬發(fā)生彈性變形需要能量，但這種能量大部分可以回復(fù)，因而彈性能量損耗與塑性變形時的能量損耗相比可以忽略不計。但是，某些橡膠在發(fā)生彈性變形(由于產(chǎn)生彈性滯后現(xiàn)象) 摩擦的主因。綜上所述可知，表面相互作用有兩個來源，即粘著和材料位移，由于發(fā)生彈性和塑性變形以及斷裂，它們會引起能量損耗。摩擦定律通過實驗已發(fā)現(xiàn)了兩條基本的摩擦定律，它們能適用于各種各樣的條件。但是也有一些顯著的例外，這將在后面舉例說明。這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，這兩條摩擦定律就其性質(zhì)來說是以實驗為根據(jù)的，當(dāng)然即使在不服從摩擦定律的那些情況下，也不會違反基本的物理原則。第

5、一定律表明，摩擦力與兩接觸體之間的表觀接觸面積無關(guān)，而第二定律表明，摩擦力與兩物體之間的法向載荷成正比。因此，一塊磚沿其側(cè)面滑動與沿其端面滑動同樣容易，如果兩滑動體之間的載荷增大一倍，則摩擦力也增大一倍。法國工程師Amontons于1699年提出了這兩條定律，之后人們就常常稱之為“阿蒙頓定律”。Coulomb于1785年提出了第三定律，即動摩擦力幾乎與滑動速度無關(guān)，但此定律的適用范圍比前兩定律小些。摩擦系數(shù)第二摩擦定律使我們能給摩擦系數(shù)下一定義。第二定律表明摩擦力與法向載荷W成正比，即所以式中為常數(shù)，稱為“摩擦系數(shù)”。必須強(qiáng)調(diào)指出，僅僅對于給定的一組周圍條件下，才是常數(shù)，材料不同和條件不同，也

6、就不同。例如，硬鋼表面在常規(guī)大氣條件下與同樣表面發(fā)生摩擦?xí)r，的典型值大約等于0.6。同樣的材料組合在高真空條件下發(fā)生摩擦?xí)r，值要高得多。在常規(guī)大氣中，石墨與石墨組合的值大約等于0.1，但是如果大氣非常干燥，則值可升高到0.5以上。由于任何表面在顯微鏡下觀察幾乎都是粗糙的,實際接觸面積占表觀接觸面積的一小部分。而且，實際接觸面積與表觀接觸面積無關(guān)。這樣就把第一摩擦定律解釋清楚了，因為摩擦力與實際接觸面積無關(guān)。表面粗糙度與實際接觸面積當(dāng)兩個物體相互摩擦?xí)r，在接觸表面上發(fā)生某種形式的相互作用，以阻止一者行相對運(yùn)動。大多數(shù)摩擦理論均假設(shè)單位接觸面積上的阻力為常數(shù)。因此，F(xiàn)=As式中 F摩擦力； A實際

7、接觸面積； S阻止相對運(yùn)動的單位面積上的恒力，即單位摩擦力。如果假設(shè)s為常數(shù)是合理的，就可看出A的重要性。由此可得出關(guān)于實際接觸面積的一些較重要結(jié)論：（a）當(dāng)單個球面接觸時或一系列處于同樣高度的相同球在承載條件下只發(fā)生彈性變形時（b）當(dāng)接觸完全為塑性時（c）當(dāng)表面的微凸體高度分布可用指數(shù)函數(shù)來表示時不論變形型式如何，即不論是彈性變形還是塑性變形，都是如此。（d）當(dāng)表面的微凸體高度分布為高斯分布時，我們?nèi)阅芫_地寫成（對于任何的變形型式）（e）許多實際表面的微凸體高度分布接近于高斯分布。上述結(jié)論（a）和（b）與驗證第二摩擦定律的實驗結(jié)果相結(jié)合時，在過去曾得出了微凸體接觸必為塑性的結(jié)論。然而，各種物理論據(jù)和實驗結(jié)果都表明，在一定的條件下，例如摩合良好的表面，雖其，但肯定處于彈性狀態(tài)。這種明顯的反常現(xiàn)象現(xiàn)在可用上述（d）和（e）來加以解釋?，F(xiàn)在，對模型和實際表面的變形加以分析就能闡述符合實際的摩擦理論，而且毫無疑問將來對現(xiàn)有理論的任何改進(jìn)必定以這種分析為根據(jù)。心得體會：這次寫小論文，覺得自己收獲很大。主要在下面兩個方面。第一，通過這次自己寫小論文的嘗試，對關(guān)于摩擦力的這些基本理論有了一些了解，而且學(xué)到了一些課本外的東西，覺得對自己的學(xué)習(xí)很有幫助。更重要的是，學(xué)會了一種新的