摩擦力

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摩擦力的產生

摩擦力(英語:friction)指兩個表面接觸的物體相對滑動時抵制它們的相對移動的力,是經典力學的一個名詞。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:

  • 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。
  • 物體在靜止或運動狀態,均可能在接觸面上產生摩擦力。
  • 摩擦力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着力,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: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]

固體表面之間的靜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。動摩擦力可以視為單位移動距離之能量損耗率,該等能量損耗源自於兩表面互相碰撞作用之各種粒子之間。

滑動摩擦[編輯]

滑動摩擦力總是比最大靜摩擦力要小。它由正向力FN和滑動摩擦係數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]

滾動摩擦實際上是源自於下列兩種情形

一。接觸面非為完全圓滑 二。彈性體的恢復系數小於1的情形所導致的動能損耗

非完全平滑的多邊形滾動時,邊緣角度轉折的不同斜率平面在與底部平面之撞擊而轉為震動及熱能,被視為摩擦的一種,此種能量耗散完全無須物體接觸面之間的滑動運動。唯與滑動摩擦之命名易產生混淆

彈性體恢復系數小於1的影響方式則是於接觸點之壓縮區,移動方向之前側壓縮區的滾動逆向力矩大於後側之順向恢復力矩,而造成總力矩之總和為逆向導致轉速降低,轉動動能散失入接觸區之熱能。 兩顯著差異的例子為在硬質地板上滾動的圓滑鋼球與極軟之矽膠球,前者因壓縮區小且恢復系數高因此單位旋轉角度的能耗小,滾動距離遠,後者因壓縮區大且恢復系數低,因此單位旋轉角度的能耗高,滾動距離短。

一般的滾動摩擦力兩個因素皆會同時發生。

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]

一個放在面上的球繞着通過接觸點的法向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:

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儘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]


參考文獻[編輯]