高中物理 3.2《研究摩擦力》素材 粤教版必修1

用心 爱心 专心 摩擦的机理摩擦的机理 摩擦机理的本质是能量损耗的机理 因而问题归结为接触面怎样造成能量的损耗 物体表面虽然经过加工 但还是凹凸不平的 即使进行过精加工 如研磨 表面凹 凸相关仍有 10 4 mm 的数量级 表面上独立的凸出单体 即使固体表面很干净 事实上也是 由各种物质的薄膜覆盖着的 最外面是普通脏污的膜 里面是吸附分子膜 再里面是金属氧 化膜 最里面是加工变质膜 图中普通脏污物质包括手指的油污或灰尘等 吸附分子膜中来自大气中的吸附层 金 属氧化膜是金属表面与空气中的氧化合而形成的 加工变质层是指因车削或研磨而使金属的 晶粒变得细微 通常成为比基体更硬的薄层 再来看一下材料的性能 在材料实验机上对金属杆做拉伸试验 可看出开始施加外力 时 杆件发生拉伸变形 随着外力的增大 形变也增大 只要为超过材料的弹性限度 去掉 外力后杆件仍能恢复原来的形状 超过弹性限度 杆件就发生塑性形变 出现流动现象 这 时即使取掉外力 杆件也不能恢复原状 产生流动的最小拉力 叫屈服极限 这是一般材料 的强度条件 现在在上述概念的基础上探究干摩擦的机理 以金属对金属无润滑表面间的相对滑动为例 由于表面的凹凸不平 两个面接触时 就像把两大山脉倒扣在一起一样 实际的接触为点接触 这也是一般情况下摩擦力与表观接 触面积无关的原因 当加载荷时 两面之间产生正压力 由于实际接触面积极小 接触点处 的压强大大超过材料的屈服极限 因而在接触点处了生塑性流动 使实际接触面积迅速增大 直到能够支承所加载荷为止 在这些微凸体接触处发生塑性流动 实际上使两面在这些局部 区域发生了焊合 当施加一切向力时 只有这些焊合点被剪切断裂 表面间才会发生相对滑 动 所以这时的摩擦力是界面处的剪切力 它等于焊合点处的平均剪切强度与实际接触面积 的乘积 这个摩擦力是界面处产生摩擦力的黏附分量 值得注意的是 由于焊合点处的剪切 强度有时大于两种金属中较软金属的剪切强度 所以剪切断裂有可能发生在较软金属内部 而不是在焊合界面处 从微观来看 将两种干净的金属表面压合时 一个表面上的原子趋近于另一个表面上 的原子 直至如同金属体内的原子那样接近为止 正是这种原子间 分子间的引力形成接触 表面处的黏合 附着现象 因而要使两表面发生相对滑动 就必须克服这些分子原子引力做功 从而消耗能量 既然摩擦力的产生是由于金属间的这种黏附现象 那么为什么将压在一起的两块金属 眚拉开时 并不需要很大的力即没有发现这种黏附力呢 这是因为一般的表面都被污染 两 金属接触时 污染层膜不会完全破坏 只是在某些微凸体处由于压强过大破坏了污染膜 使 两金属直接接触 黏附就发生在这个区域 当两块金属垂直于接触面拉开时 道德要卸载 这些区域变形又会恢复一部分 致使焊合处发生断裂 早在 17 世纪中叶 英国物理学家德 萨古利埃就曾从铅球上切下两块 然后将两个切面边转捻边压合 结果这两块就黏合在一起 了 其黏附力意外的强 用了十多公斤的力才将其掰离 这正是他提出分子说黏合机理的实 验基础 由于压合时 两光滑表面较多的接触区域能进入表面的分子引力范围 而粗糙表面 接触点很少 且摩擦力的黏附分量是与实际接触面积成正比的 由此不难理解前者的摩擦力 用心 爱心 专心 恒大于后者 在真空中 能获得较干净的金属表面 这种压合表面的黏附力就很可观了 因 而目前的空间研究工作中 提出了在接近真空条件下有关材料摩擦问题研究的新课题 摩擦力不仅有黏附分量 还有变形分量 两种金属接触 表面发生相对滑动时 较硬 金属的微凸体就在较软金属的表面上犁出一道沟槽 在切出的沟槽前材料还被压皱和积聚 这种现象叫犁削 它使表面变形 因而也要消耗能量 由此而产生的摩擦力叫变形分量 通 常它较黏附分量小 这就是目前大家接受的摩擦机理 从宏观上来说是焊合 剪切犁削理论 从微观说是分子引力理论 至于弹性体与刚体接触面间的摩擦力的黏附分量和变形分量的产生与上述金属之间是 不同的 简单地说 弹性体一般是压皱在刚体表面微凸体周围 呈现刚体表面的轮廓 当压 紧的弹性体与刚体表面发生相对滑动时 弹性体的分子链像弹性绳一样地能被拉伸 黏附分 量的产生是由于接触面处弹性体表面层中分离的分子链与刚体表面的分子连接 由此形成局 部连接点 动的作用促使这些链在新链形成前拉伸 破裂和松弛 这样弹性体分子有力地跳 跃一个分子间距 到达它的新的平衡位置 这种表面处分子连接点的形成和破坏 就是黏附 起因的机理 它是一种表面效应 变形分量的产生是由于弹性体变形的延迟恢复造成的一种 迟滞现象 因弹性体以一定速度在刚体表面滑动时 弹性体会积聚在刚体表面上微凸体背向 的一侧 引起压力的不对称分布 压力的水平分量就产生一个净的迟滞力 此即摩擦力的变 形分量 迟滞分量 它阻止滑动 由此不难看出 经典摩擦定律中摩擦力与滑动速度无关这一点并不正确 由于在低速 和中速滑动时 摩擦主要是由接触区的局部黏附和剪切引起的 因而摩擦因数随滑动速度的 变化显著 但高速滑动时 由于金属表面受强烈的摩擦热 它改变了表面层的状态 出现了 大规模的熔化 使之成了一种黏性润滑剂 致使摩擦由无润滑的干摩擦变成了有润滑的情况 因而摩擦因数明显减小 关于摩擦机理 1961 年曾有人提出过静电理论 认为两个摩擦金属表面间的黏 滑现 象 可用发生了电子的有效流动 这种流动在界面上引起异性的电荷聚集 通过静电吸引作 用把两个表面结合在一起 这一理论 应含有经过很长一段时间后 电子会从界面上跑掉 从而使摩擦因数降低的意思 但并未观察到这样的情况 因而目前焊合 剪切理论在客观的 水平上提出了最满意的物理解释 而对于弹性体 则最新的分子吸引理论今天看来是正确的 摩擦现象的本质是什么 摩擦现象的本质是什么 从 15 世纪至 18 世纪 科学家们提出了一种解释摩擦本质的凹凸啮合说 这个理论认为 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 磨损 就形成了对运动的阻碍 继凹凸啮合说之后 英国学者德萨左利厄斯于 1734 年提出了粘附说 他认为产生摩擦 的真正原因在于接触面间的分子力作用 表面越光滑 接触越紧密 分子力的影响就越大 按照这种观点 经过充分研磨的玻璃表面间的摩擦力将增大 与凹凸啮合说的推论相反 后 来的实验证明粘附说是合理的 20 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 20 世纪中期 用心 爱心 专心 诞生了新的摩擦粘附论 新的摩擦粘附论认为 两个相互接触的表面 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 8m 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 如图 3 36 所示 这时 相互接触的两个物体之间距离变小 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 这时要使两个彼此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 也是摩擦力产生的一个原因 综上所述 摩擦现象的机理是复杂的 是必须在分子尺度范围内才能加以说明的 由于 分子力的电磁本性 摩擦力说到底也是由电磁相互作用引起的 上述理论已经否定了 物体表面越光滑 摩擦力越小 的说法 在非常光滑的物体表面 之间 摩擦力是存在的 我们经常使用的 表面光滑 的含意与此不同 我们说的 表面光 滑 是指无摩擦或摩擦因数等于 0 的表面 即没有摩擦力 这是教学上的一种约定 关于滚动摩擦关于滚动摩擦 滚动摩擦实际上是一种阻碍滚动的力矩 当一个物体在粗 糙平面上滚动时 如果不再受动力或动力矩作用 它的运动将 逐渐变慢 直到最后静止 这一过程 滚动的物体除了受到重 力 弹力外 一般在接触处还受到静摩擦力 如图 3 37 所示 从平动效果分析 在竖直方向 重力和弹力构成一对平衡力 在水平方向 静摩擦力是一个阻力 从转动效果分析 重力对 于质心 质量中心 通常与重心重合 不产生力矩 静摩擦力对质心产生的力矩与转动方向 一致 弹力对质心的力矩大于静摩擦力的力矩 且阻碍转动 这是由于物体和平面接触处的 形变引起的 因为物体受重力作用而陷入支撑面 同时本身也受压缩而变形 从而在向前滚 动时 接触处前方的支撑面隆起 这使支撑面作用于物体的弹力的作用点从