摩擦力课外拓展.doc

一、摩擦小史人类很早就对摩擦现象有了认识并加以利用，许多早期的文献里，都有把摩擦的影响减至最小的多种尝试的记载2000多年前的亚里士多德就已经提到摩擦力的概念但是真正对摩擦进行定量的研究，则始于15世纪的文艺复兴时期500多年的漫长而曲折的历史大致可划分为五个时期来讨论（一）达芬奇的早期研究时期1508年，达芬奇（14521519）使用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，测量了水平和斜面上物体间的摩擦力，测量了半圆形槽与滚筒间的摩擦，进行了表面接触面积对摩擦阻力影响的实验研究，发现了等重物体之间的摩擦力与接触面积无关的重要结论达芬奇首先引入了摩擦系数的概念他将该系数定义为摩擦力和垂直载荷的比值。他的结论是：“每一个摩擦物体所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一”当时他使用的材料大多为硬木或铁与硬木的组合，他的结论对于这些材料来说还是比较符合实际的达芬奇还研究了摩擦面间有润滑油和其它介质时对摩擦的影响他认为“所有东西，不管它如何薄，当它放入两个互相摩擦的物体之间时，摩擦都会减少”（二）阿蒙顿的进一步研究时期进入16世纪后，由于水力和风力能源的广泛应用，机器大量增加特别是磨的发展，大大推进了对摩擦的研究许多科学家进行了各种各样的摩擦实验，其中最有成就者当推法国实验物理学家阿蒙顿（16631705）作为一个永动机的积极倡导者，他自然对摩擦产生的损失特别感兴趣他通过多次实验后，于1699年12月19日向皇家科学院提交了一分经典论文在文中提出了摩擦力的经典规律，这就是后来人们所熟知的阿蒙顿定律静摩擦定律：两接触物体间的最大静摩擦力，跟接触面上的正压力成正比，并与接触面的性质及状态有关；但与接触面的面积及形状无关即：f静0N滑动摩擦定律：滑动摩擦力跟摩擦物体接触面上的正压力成正比，跟外表的接触面积无关即：f滑N（三）库仑对摩擦的总结时期进入18世纪的法国，在经济、军事、工业等方面有了很大的发展机器的大量使用，使得机械的效率和耐磨问题成为了一大难道为此，巴黎科学院于1781年以“摩擦定律和绳的倔强性”为题，进行了一次有奖竞赛库仑（17361806）研究总结了达芬奇和阿蒙顿的实验和理论之后，又进一步做了大量的实验最终以简单的机械理论为题的论文赢得了这次竞赛的优胜奖，提出了他的摩擦理论库仑摩擦定律库仑摩擦第一定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正压力成正比，跟外表的接触面积无关这实际上就是阿蒙顿定律，也就是现在称谓的静摩擦定律和滑动摩擦定律库仑摩擦第二定律：滑动摩擦力和滑动速度大小无关这一结论，若作为普遍法则是不正确的实际上滑动摩擦力和滑动速度的关系是相当复杂的库仑摩擦第三定律：最大静摩擦大于滑动摩擦力，即f静f滑库仑二项式定律：这是反映摩擦力和负载之间的关系即滑动摩擦力f滑NA库仑认为“常数A”跟正压力的平方根成正比，但它都没有反映出A的物理意义这一定律也只适用于干摩擦和边界摩擦库仑对摩擦的研究，总结了从达芬奇到阿蒙顿的理论，提出了他的库仑摩擦定律但是，实际上这些定律只能是经典的经验公式，对于实际情况也仅仅是近似的、粗浅的描述（四）19世纪对摩擦的研究时期19世纪，随着蒸汽机进入实用阶段，工业革命迅速普及，为了防止机器的高速转动而带来的轴承烧焦和磨损，润滑成了这个时期摩擦研究的特征1883年，英国的托尔（18451904）在研究轴承的润滑中发现油膜具有高压力；同时代的雷诺（18421912）根据托尔的发现，利用流体力学的原理，从理论上证明了因旋转而在油膜中产生高压力的现象，说明了轴与轴承的间隙能支持载荷的道理1896年，金斯伯里（18631943）证明了用空气代替润滑油的设想，在一次美国军事系统的展览会上进行了空气轴承的公开表演这种轴承后来在高速磨床、高级陀螺仪上得到了广泛的应用在这一时期，雷尼（17911866）、莫伦（17951880）等人测定了许多物体间的摩擦系数，迄今仍在广泛应用总之，进入19世纪，由于摩擦的实验定律大体已确立完毕，只是在研究如何减小摩擦方面进行了一系列工作但仍然没有对摩擦的物理机制给以科学的、满意的解释（五）从经典理论到近现代理论时期早在达芬奇、阿蒙顿、库仑等人在研究摩擦定律的同时，就对摩擦的物理机制提出了一个凹凸说他们认为摩擦的根源在于两表面的凹凸相互啮合，当一个物体在另一个物体表面上滑动时，互相啮合的凹凸部分，就会相互撞碰，并且被破坏，阻碍物体运动，就产生了滑动摩擦但是这一理论无法解释为什么表面越光滑，反而摩擦越大，新生成的结晶表面在空气中停留时间一长，摩擦系数会急剧减小等现象的产生1734年，贝萨克利基于光滑铅柱的粘合实验，认为摩擦的物理机制在于相互摩擦的表面分子间的相互作用力因而提出了一种分子说他预言：“只要把平面无止境地研磨得很光滑，摩擦迟早会增大的”这一理论得到了英国物理学家文斯（17491821）的赞同到了本世纪还被哈迪的实验所证实凹凸说认为摩擦源于凹凸体间的相互挤压、剪切的机械阻力；而分子说则认为摩擦来源于接触面上晶体分子间电性引力其是非焦点在于前者认为摩擦是凹凸间的斥力，后者认为是接触面间的粘着引力1939年，克拉格尔斯基统一了争论很久的凹凸说和分子说认为摩擦具有二重性：它不仅要克服两表面分子相互吸引所决定的作用力，还要克服由于表面粗糙互相啮合而发生变形所引起的机械阻力从而提出了一套分子机械理论学说1950年，包登等人认为两物体个别接触区产生的高压引起局部热熔而粘为一体，这样形成的连结又因表面相对滑动而剪断粘着点的形成和剪断在接触表面上交替进行，构成摩擦的粘着分量；较硬表面的微凸体犁削较软材料的基体，构成摩擦的变形分量总的摩擦力是二者之和这种理论被称为粘着说，被普遍承认适用于金属间的摩擦近年来，由于表面技术加工的发展，半导体工业所带来的高真空、高洁净环境技术的发展等有利条件，相继又出现了表面微凸体的塑性作用学说和热活化分子动力交换学说这些学说也能在一定范围内说明摩擦所产生的物理机制但是，由于影响摩擦的因素相当复杂，现有的这些学说都不是包罗万象的，无法完整和圆满地将摩擦的物理机制说清楚一句话，摩擦的原因到现在还没有完全研究清楚二、力气大的队拔河一定赢吗？拔河比赛比的是什么？很多人会说：当然是比哪一队的力气大喽！实际上，这个问题并不那么简单。根据牛顿第三定律（即当物体甲给物体乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体甲一个反作用力，作用力与反作用力大小相等，方向相反，且在同一直线上），对于拔河的两个队，甲对乙施加了多大拉力，乙对甲也同时产生一样大小的拉力。可见，双方之间的拉力并不是决定胜负的因素。对拔河的两队进行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于与地面的最大静摩擦力，就不会被拉动。因此，增大与地面的摩擦力就成了胜负的关键。首先，穿上鞋底有凹凸花纹的鞋子，能够增大摩擦系数，使摩擦力增大；还有就是队员的体重越重，对地面的压力越大，摩擦力也会增大。大人和小孩拔河时，大人很容易获胜，关键就是由于大人的体重比小孩大。另外，在拔河比赛中，胜负在很大程度上还取决于人们的技巧。比如，脚使劲蹬地，在短时间内可以对地面产生超过自己体重的压力。再如，人向后仰，借助对方的拉力来增大对地面的压力，等等。其目的都是尽量增大地面对脚底的摩擦力，以夺取比赛的胜利。三、摩擦三兄弟摩擦三兄弟就是指静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦，它们都是摩擦家族的成员。说起摩擦，大家一定不陌生，因为摩擦是我们生活中司空见惯的现象，我们每时每刻都在和摩擦打交道。我们走路、吃饭、洗衣服依靠摩擦；各种车辆的行使依靠摩擦，机器运转离不开摩擦；就是建造房子也离不开摩擦。 假如没有了摩擦，世界将会变成什么样？真是不可想象。可以说，摩擦是我们人类离不开的好朋友。但是在很多场合，摩擦三兄弟扮演着“不受欢迎”的角色。 在现代汽车中，20的功率要用来克服摩擦；飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率要占10，就是最先进的涡轮喷气发动机也要为克服摩擦损耗2的功率。世界上有数以万计的汽车、数以万架的飞机，这样每年要有多少燃料被白白浪费掉，真是可惜。 但更为严重的是，摩擦还会造成机器零部件的磨损。据报道，英国在这方面损失每年要超过20亿美元。摩擦除了导致磨损之外，还会使航空和航天器过度发热，这更是现代科技遇到的又一难题。 当飞机着陆的时候，闸阀和闸轮会摩擦产生红热现象，这样的高温使机闸材料变软、变质，一幅价格昂贵的闸瓦和闸轮，往往只使用了几次就报废了。 当宇宙飞船返回地面的时候，由于高速船体与空气之间的摩擦，会使整个船体成为一个通红的火球，为了保护飞船里的宇航员和各种仪器设备，人们不得不付出昂贵的代价，用耐高温的特种合金制造船体，并且还在外面加装了耐高温材料。 为了能驾驭摩擦，让摩擦三兄弟为人类更好地服务，人们一直进行着艰苦的研究和探索。早在15世纪，达芬奇就开始了对摩擦的研究。到17、18世纪，法国形成了一股摩擦研究热，库仑根据达芬奇的想法完成了摩擦起因的凹凸说。到了18世纪上半叶，有人又创立了分子说。进入20世纪后又出现了粘合说。 可以说有关摩擦起因的争论还在进行着，凹凸说、分子说和粘合说都持之有理，言之有据，究竟怎样圆满地解释摩擦的起因，还一直是一个很活跃的研究课题。四、摩擦力的本质两个物体接触，接触面越平滑摩擦力越小”的观点是否正确呢，首先探究一下摩擦力的本质：1凹凸啮合说是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦本质的理论，啮合说认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生的两个物体接触挤压时，接触面上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相碰撞，产生断裂、摩损，就形成了对运动的阻碍2粘附说这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出，他认为两个表面抛得很光的金属，摩擦会增大，可以用两个物体的表面充分接触时它们的分子引力将增大来解释上世纪以来，随着工业和技术的发展，对摩擦理论的研究进一步深入，到上世纪中期，诞生了新的摩擦粘附论新的摩擦粘附论认为，两个互相接触的表面，无论做得多么光滑，从原子尺度看还是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个表面放在一起，微凸起的顶部发生接触，微凸起之外的部分接触面间有10-8 m或更大的间隙这样，接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力如果这个压力很小，微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过某一数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的弹性限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，被压成平顶，这时互相接触的两个物体之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的范围，于是，两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合这时要使两个彼比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，来克服分子（原子）间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦在现代摩擦理论中，还加进了静电作用。光滑表面摩擦过程中可能带上异号电荷，它们之间的静电作用，也是摩擦力的一