摩擦力

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摩擦力的產生

摩擦力經典力學的一個名詞,指兩個表面接觸的物體作相對運動時互相施加的一種物理。廣義地,物體在液體和氣體中運動時也受到摩擦力

摩擦力的成因:

  1. 一物體在另一物體表面上滑動或將要滑動時,兩物體在接觸面上會產生【阻止相對運動】的作用力,這種作用力稱為摩擦力。
  2. 物體在【靜止】或【運動】狀態,均可能在接觸面上產生摩擦力。
  3. 摩擦力恆與物體『相對運動』的方向【相反】

概述[編輯]

摩擦力與相互摩擦的物體有關,因此物理學中對摩擦力所做出的描述不一般化,也不像對其它力那樣精確。事實上,只有在忽略摩擦力的情況下人們才能引出力學中的基本定律。

摩擦力來源於兩個物體接觸面間的附著力,但摩擦力大小與接觸面積大小幾乎無關。

摩擦力內最大的區分是靜摩擦力與其它摩擦力之間的區別。有人認為靜摩擦力實際上不應該算作摩擦力。其它的摩擦力都與耗散有關:它使得相互摩擦的物體的相對速度降低,將機械能轉化為熱能並提高

固體表面之間的摩擦力分滑動摩擦、滾動摩擦、滾壓摩擦和轉動摩擦。在工程技術中人們使用潤滑劑來降低摩擦。假如相互摩擦的兩個表面被一層液體隔離,那麼它們之間可以產生液體摩擦,假如液體的隔離不徹底的話,那麼也可能產生混合摩擦。

假如潤滑劑、液體或氣體沿一個固體表面流動,其流速會受摩擦力的影響而降低。固體表面的構造對這個摩擦力的影響比較小,最主要的是流體的橫截面面積。其原因是不僅在流體與固體的交面有摩擦力,流體內部不同的層之間也有內部摩擦,流體離固體表面的距離不同,其流速也不同。

一個相對於一個流體運動的物體受到阻力。這個阻力與它的運動方向相反,但是有例外,也就是摩擦力和運動方向相同,例如:走路。人在走路必須要有摩擦力,當腳往前走時有摩擦力把你往前推,人才能從靜止轉換成運動,如果運動方向和摩擦力相反,人就不能走路了。在層流的情況下這個阻力與它的速度成比例,在紊流中這個阻力與它的速度的平方成比例。有時一個物體同時受到阻力和摩擦力,比如一輛汽車在運動時既受到空氣的阻力也受到其輪胎的滾動摩擦。

固體表面之間的摩擦力[編輯]

固體表面之間的摩擦力的來因有兩個:固體表面原子、分子之間相互的吸引力(化學鍵重組的能量需求,膠力)和它們之間的表面粗糙所造成的互相之間卡住的阻力。

滑動摩擦[編輯]

F = \mu \cdot F_N

滑動摩擦力總是比最大靜摩擦力要小。它由垂直於摩擦面的力FN和滑動摩擦因數µ決定,它與滑動面之間的相對速度和面積無關。摩擦因數由滑動面的物質、粗糙度和(可能存在的)潤滑劑所決定。

滑動摩擦力可以做正功也可以做負功,取決於滑動摩擦力的方向與物體對參考系的位移之間的夾角。滑動摩擦力作用所產生的內能(通常表現為溫度升高)則為滑動摩擦力與兩物體相對的位移的乘積。

滾動摩擦[編輯]

假如一個物體在一個平面上滾動的話,那麼它會受到滾動摩擦。假如滾動的物體與平面之間的摩擦力等於施加於該物體上的其它所有合力矩的話,那麼它的運動是一個純的滾動運動[1],其中沒有滑動的部分。

由於純的滾動運動物體與接觸面相對靜止,這一點在力的方向上沒有位移,所以滾動摩擦力不做功。

滾壓摩擦[編輯]

假如滾動運動和滑動運動同時存在,那麼這種混合摩擦也被稱為滾壓摩擦。

這時,摩擦力可以作正功也可以做負功,並通過相對摩擦產生內能。

轉動摩擦[編輯]

一個球沿其垂直於一個平面的軸轉動時所產生的摩擦力被稱為轉動摩擦,它與轉動運動的力矩T(τ)有關:

N = \frac{T}{F_N} in cm

減小有害摩擦的方式[編輯]

在工程技術中人們往往通過施加潤滑劑或使用軸承的方法來減少摩擦,研究這個問題的科學稱為摩擦學,它是機械製造的一個分科學。

固體摩擦[編輯]

兩個固體面互相摩擦。假如兩個固體面的材料選擇不當或它們之間相互施加的壓力非常大的話,那麼固體摩擦就會造成磨損。在不使用潤滑劑或潤滑劑失效的情況下會造成固體摩擦。

混合摩擦[編輯]

在潤滑劑不夠或運動的開始會出現混合摩擦。這時摩擦面部分地區會直接接觸。混合摩擦造成的磨損比固體摩擦要小。在長時間運行的狀態下應該避免混合摩擦,但往往在技術工程中混合摩擦被容忍。

液體摩擦[編輯]

假如兩個運動面之間有一層完整的潤滑劑的話,那麼它們之間的摩擦是液體摩擦,兩個運動面不直接接觸。雖然如此通過運動面與潤滑劑的分子之間的摩擦依然會有很小的磨損。

內部摩擦[編輯]

內部摩擦是物質內部的原子分子相互運動所造成的能量損失。由於外部力的作用所造成的不同部位的粒子的加速度的不同可以造成(比如液體)內部的相對運動。內部摩擦的大小與物質的粘性有關。

不像固體表面的摩擦那樣含糊,內部摩擦可以通過統計力學的方式相當精確地計算出來。在力學中一般人們在計算時盡量省略摩擦所造成的損失,在流體力學中內部摩擦是理論中的一個內在部分,它可以由納維-斯托克斯方程來計算。

流變學是研究複雜的流體(比如懸浮液或高分子化合物)的學科。在這些液體中的內部摩擦非常複雜,線性的納維-斯托克斯方程不能用來描寫它了。

參看[編輯]

外部連結[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 純的滾動運動,也叫「無滑滾動」,條件是V_c=\omega R,其中V_c表示滾動物體質心對參考系的速度,\omega表示轉動的角速度,R表示半徑。

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