摩擦力产生的微观解释.doc

摩擦力产生的微观解释两个互相作用的物体，当它们发生相对运动或有相对运动趋势时，沿接触面切线方向有阻碍相对滑动的作用，这种现象称为摩擦；这种阻碍相对运动的作用力称为摩擦力。 摩擦力是电磁力的一种表现形式。产生机理： 1。相互作用产生形变； 2。物体微观凸凹表面产生相互机械啮合； 3。产生分子粘结现象。 抵抗啮合部分的相互犁削及粘结结点的剪切作用即称作摩擦力，它是电磁力作用。 静摩擦力-在外力作用下如只具有相对滑动趋势，而又未发生相对滑动时，则这种阻碍作用叫静摩擦，这种阻碍作用力叫做“静摩擦力”。静摩擦力不是一个定值，它随外力而变，使物体由静止变为运动的临界值称为最大静摩擦力。静摩擦力可以是零和最大静摩擦力之间的任一数值，即0FF(max)。 滑动摩擦力-当一个物体跟另一个物体发生相对滑动时,在它们的接触面上产生的摩擦力叫做滑动摩擦力。而这两种说法各有道理！ 凹凸啮合说认为：摩擦是由于相互接触的物体表面粗糙不平造成的，两个物体接触相压时，接触面上有很多凹凸部分就相互啮合，如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分就相碰撞，产生断裂，磨损，就形成了对运动的阻碍，显然这对于木材等的摩擦的解释很适用。 而黏附说认为：两个相互接触的表面，无论做的多么光滑，从原子尺度上看都是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个平面放在一起，微凸的顶部发生接触，微凸之外的部分接触间有10-8m或更大的间隙，这样接触的微凸起的顶部就承受了接触面上的法向压力，如果这个压力比较小，微凸起部分发生弹性形变，如果法向压力较大，即超过材料的弹性限度，微凸起的顶部就发生塑性形变，被压成平顶。这是互相接触的两物体间距离变小，小到分子（原子）发生引力作用的范围，接触面上产生了原子性黏合，这时要使接触的表面发生相对滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力，来克服原子（分子）间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦。同样地，用它来解释金属材料等的摩擦更让人信服。 但在我看来，这两种说法都是成立的，故我认为摩擦是二者共同作用产生，即啮合黏附共存说。摩擦是由这两种机理共同作用产生的，只是在特定的接触面上，两者产生的摩擦力的相对大小不同而已！ 我们不妨分析这几种情况： 1。相接触的两物体都很粗糙，如两个木板。两物体之间的凹凸是相当明显的，当相对滑动时，啮合作用产生的摩擦力相对较大，而接触面上原子之间的距离过大，很难产生分子间作用力，这时黏附作用产生的摩擦作用是很微弱的，甚至无法产生摩擦作用。因此，在这种情况下，摩擦主要是啮合作用产生的。 2。相接触的两物体，一个较为粗糙，一个较为光滑，如一个木块跟一块金属。当这样的物体相接触并产生相对滑动时，二者之间的啮合度相对于1中的明显减弱，由啮合作用产生的摩擦力就减小，而此时黏附作用产生的摩擦依旧极其微弱，故而此时的阻碍作用相对于1中明显减弱。 3。相接触的两物体都很光滑，如两块金属。就如黏附说，当两者劫持面上的微凸部分发生弹性形变时，两物体相对滑动的过程中，会产生两个阶段：一是微凸部分与微凹部分啮合这时啮合作用还能产生较为明显的摩擦作用，而黏附作用产生的摩擦作用相对于1，2情况也是明显增大，此时两种作用产生的 摩擦均较为明显；二是微凸部分与微凸部分相接触，这一短暂过程由啮合作用产生的摩擦很弱，因为此时两接触面的啮合程度较低，而此时微凸部分的接触面发生弹性形变，分子间距离减小，产生了分子间作用力，黏附作用产生的摩擦较为明显，故此时以黏附作用产生的摩擦为主，当法向压力过大时，接触面发生塑性形变，微凸部分被压平，就更减小了两接触面的啮合度，由啮合作用产生的摩擦就很微弱，所以以黏附作用为主。 总结以上情况，如果用函数图象来表示的话，以接触面的啮合度为横轴，以啮合作用产生的摩擦力与黏附作用产生的摩擦力相对大小为纵轴，二者是呈正相关的关系。 基于以上分析，关于摩擦的本质，我认为用啮合黏附共存说来解释较为妥帖。滚动时的摩擦作用 力偶（力矩）和力都能使物体滚动,但它们对瞬心有平动作用。滚动时的摩擦作用就是这种平动作用引起的反作用. 它和具有滑动趋势时的磨擦作用是一样的,也是静摩擦力。这个静摩擦力（F）的大小对物体的滚动有很大影响。以往的讨论都是假定F大于动力（P或Pm）的条件下进行的，当F小于P（或Pm）时，物体将产生滑动或转动，这类事实在我们日常生活中是常见的。例如，若脚下很滑（即摩擦作用小），人行走就会很吃力；汽车若在带冰的路上行驶会出现打滑。它们都说明摩擦对滚动运动有很大影响。也就是说，对滚动来讲, 摩擦作用是稳定瞬心,使之不产生位移的必要条件。摩擦作用越大，瞬心稳定性越强；没有摩擦作用就不能产生滚动。编辑本段说明： 1。目前，普遍认为滚动时的摩擦是一种阻碍滚动的阻力，这种认识是不正确的。阻碍滚动的阻力是物重对滚动瞬心的矩。如下图所示，滚动阻力是Ge，摩擦力F只起稳定瞬心的作用，不是阻碍滚动的阻力。 由物体重力引起的滑动阻碍作用和滚动阻碍作用大小的比较来看.多数场合滚动阻碍作用要显得大些, 但圆形体的滚动阻碍作用却很小。这是因为圆形体特有的几何形状所造成的。通常我们讲的滚动多是指圆形体的滚动。下边我们看一下圆形体的滚阻力矩： 如果增加正方体的棱边我们会发现 ，e 随着棱边个数 n 的增加而减小，从而导致 Ge 值减小。当 n 趋于无穷大时,这个正多棱体趋于圆。力矩 Ge 变得很小，这个滚动阻力要比该状态下的滑动摩擦阻碍作用小得多。因此，人们常用滚动代替滑动。这样，不仅减小了运动阻力，还改变了摩擦的阻力作用，使之变为滚动的辅力。 2。形变影响物体间的实际接触状态，使机械啮合作用和分子粘结作用增强，从而使摩擦作用提高；而且随着运动的发生，物体形变部位的变换，即动态形变也会消耗一部分能量而显示出阻力性；有些变形较大的物体还会产生明显的形位阻力。例如，火车行驶需要铺铁轨；滑雪板要有一定长度且前端要翘起等都是为了克服较大形变的影响。至于具有一定刚度物体的形变对磨擦及运动影响的探讨，不属于通用学术范围，这里不加论述。 摩擦力的方向-与滑动方向相反或与外力作用方向相反 摩擦作用是因外力作用引起的，因此，要根据外力作用的方式来判别： 一。滑动或有滑动趋势时的摩擦力方向-与滑动方向相反或与外力作用方向相反。 二。滚动时的摩擦力- 1。以转动中心为平衡中心来判别时，外力作用线通过转动中心时摩擦力 的方向与滚动方向相反；外力作用为力矩或力偶时摩擦力的方向与滚动方向相同。 2。以滚动瞬心为平衡中心来判别时，外力作用为力矩时摩擦力的方向与滚动方向相反；外力作用为力偶时摩擦力的方向与滚动方向相同。 3。滚动是平动和转动的复合运动，因此，按复合方式来判别时，由平动作用引起的摩擦力的方向与滚动方向相反；由转动作用引起的摩擦力的方向与滚动方向相同。 注： 1。上述判别可以逆向应用。 2。滚动时的摩擦力方向是以滚动体系整体为参照的表观显示。实质上，它是滚动体圆周力（力偶矩）的反作用力。它的方向应按时针法来判定。即，它是滚动体的转动阻力。对滚动体而言，方向与转动方向或圆周力（力偶矩）方向相反。例如在计算自行车摩擦阻力时，前、后轮摩擦力的正负号是一致的。这一点要特别注意。编辑本段滑动摩擦定律 定义 一个物体在另一个物体表面上滑动所受的阻碍物体间相对运动的力叫滑动摩擦 临界摩擦力的大小F与接触面的正压力（即法向反力N）成正比： F=N 是滑动摩擦系数，与材料材质、粗糙程度、刚度等因素有关，与物体的表观接触面积无关. 1。材质不同，摩擦因数也不同； 2。材料越粗糙，刚度越小，摩擦因数越大。 静摩擦力的大小等于引起静摩擦作用的外力。 滚动时静摩擦系数 =e/r。式中 e 为滚阻力臂，r 为圆体半径。编辑本段摩擦角与自锁 全反力-摩擦力F与法向反力N 的合力称为全反力（R）。 摩擦角-全反力R与法向反力N 夹角的最大值称为摩擦角。摩擦角的正切等于摩擦系数。 从图中可以看出，当重力G在角内时，无论G为何值，产生的分力GX始终小于 该状态下的最大静摩擦力，物体始终能保持静止状态-这种现象称作自稳；工程上称作自锁。例如螺旋千金顶就是利用这一原理设计的。编辑本段生活中的摩擦力 在日常生活中我们能经常接触到摩擦力。例如，拿在手中的瓶子、毛笔不会滑落，就是静摩擦力作用的结果；在生产技术中的应用也很多。例如，皮带运输机就是靠货物和传送皮带之间的静摩擦力来传递货物的。下边说一下两个常见的物理现象：1。人的行走 人的行走相当于多边形体的滚动，步幅的一半相当于滚阻力臂。 人的行走与人坐在轮椅运动类似，轮缘相当于多边形的边，胯关节相当于轮轴，腿相当于轮辐，脚相当于多边形边的端点。不过，各轮只有一个（真的）轮辐。但，只要速度适当地话，两脚交替着地，还是可以演绎出多轮辐效果。 问题是，两腿上下轮转是很费力的。因此，设计者改从下边前移，但因腿辐僵直，无法从下边通过。为此作出膝关节和踝关节，从而显现出现在人行走的样子。 人行走的动力是人的意志施加于脚掌的有机力矩，胯关节为力矩矩心；脚掌为滚动瞬心。阻力是人体体重与步幅一半的乘积。不难看出，使胯关节和脚掌连线与地面垂直或使身体前倾，可以减小阻力或变阻力为动力。尤其是奔跑时，显得尤为明显。 脚掌与地面在圆周力作用下会产生摩擦，它是由体重作用引起的。可以知道，没有摩擦，寸步难行。 根据摩擦力的方向可以判定， 人的行走是转动（力矩）效应引起的滚动。显然，被人推着走时摩擦力的方向向后，是平动效应引起的滚动。2。自行车的运动 自行车后轮是通过链条传递的转动力矩产生的滚动，该作用力又叫牵引力自行车后轮是由转动作用引起的滚动，与地面接触点的作用力方向向后（与滚动方向相反)因此，静磨擦力的方向与滚动方向相同；前轮是通过前轴传递的平动作用力产生的滚动，其与地面接触点的作用力方向向前因此，静磨擦力的方向向后 当不蹬车的时候，因惯性作用，俩轮仍保持原来的运动状态，摩擦作用方式不变。例如：将后轮离开地面，摇动脚蹬，使后轮旋转，再使其与地面接触，自行车会向前运动。（这个运动就相当于惯性滚动）.你会发现，轮下的灰尘或小沙粒被抛向后，即轮对地面有一个向后的作用力。因此，地面对轮的作用力（磨擦力）方向仍向前。 刹车时，主动轮（后轮）因阻力矩作用增大而减速，但摩擦作用方式没有变；不过，若主动轮处在包死状态，由于惯性使自行车继续运动时，主动轮与地面的摩擦属滑动摩擦，前轮仍是静摩擦。编辑本段关于摩擦力的做法1.怎样分析和计算摩擦力 在计算摩擦力大小之前，必须首先分析物体的运动情况，判明是静摩擦力还是滑动摩擦力。如果是滑动摩擦力，可用公式 f =N 计算，式中的 是摩擦系数；如果是静摩擦力，则一般根据物体的运动情况（静止、匀速运动、或变速运动），利用平衡条件或运动定律列方程求解。 判定滑动摩擦力的方向一定要把握“滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反”这一判定依据。具体做法是：先选择受摩擦力的物体为研究对象，再以与这个研究对象直接接触的物体为参照物，找出研究对象相对于参照物的速度方向，那么，滑动摩擦力的方向就与该相对速度的方向相反。 判断静