摩擦力的浅析.doc

“浅识”摩擦学张家郡（学号：3120100728 序号：045 专业：工科试验班信息）摘 要：摩擦力存在与生活每一个角落，对摩擦力的研究是一门经验学科，其影响因素众多且繁杂。摩擦与磨损关系密切，润滑是为了减少磨损带来的的损失。近代摩擦学研究有诸多新成果。关键词：摩擦力、磨损、润滑、仿生摩擦学、纳米摩擦学0 引言摩擦、磨损和润滑的各种现象和问题早已为人们所在意，长期以来，人们对它进行大量研究工作。古典摩擦理论中存在许多问题，近代摩擦学研究也是很分散的经验主义。磨损带来巨大的经济损失巨大，润滑可以起到一定的减轻作用。仿生摩擦学和纳米摩擦学作为两个摩擦领域的前沿，对它们的研究取得了骄人成绩。1 摩擦力(frictional force)的产生1.1 摩擦力定义当两个相互接触的物体有相对滑动或者滑动趋势时，会产生沿接触面公切线方向的阻力，这种力成为滑动摩擦力，简称摩擦力。在仅有相对华东趋势而尚未发生滑动时的摩擦力成为经摩擦力；有相对滑动时的摩擦力称为动摩擦力。1.2 摩擦力分类干摩擦：表面不存在任何润滑物质的摩擦。是一种理想状态下（真空）才可实现。液体摩擦：摩擦表面具有足够厚的润滑油层，它能将表面完全分隔开来。摩擦发生在润滑剂内部，属于润滑剂的内摩擦。边界摩擦：相对运动的表面间存在着极薄的润滑薄膜时的摩擦，简称边界摩擦。混合摩擦：介于以上几种摩擦之间，即接触表面同时出现上述几种摩擦，是生产实际中最常见的一种摩擦状态。图1图2.冰壶运动图3.自行车的摩擦1.3 古典摩擦定律由摩擦力学的研究发展历史可知，从达芬奇起由阿芒顿、库仑等人对摩擦科学进行的研究形成了古典摩擦定律，它所包含的内容是摩擦力f的大小和接触面间的法相载荷FN成正比，即f=FN。式中为摩擦系数。摩擦力大小和接触面积的大小无关。静摩擦力的极限值大于动摩擦力。摩擦力的大小与滑动速度无关。图4.古典摩擦定律 同时这也是初中以来我们一直学习的摩擦力理论，所以在课上老师几次提到摩擦力与接触面积有关的时候我有些不解。翻阅了相关书籍以后我找到了答案。这些我们早已熟悉的古典摩擦定律是基于实验的经验性理论，虽然在实际中有广泛运用，也很大程度上可以满足工程计算的要求，但是多年来的摩擦学研究新成果发现这些古典定律是不够完善不够精准的，有局限性。当法相载荷较大时，实际接触面积近似等于表观接触面积时，以及极硬材料或极软材料的摩擦，与法向载荷不再满足正比关系。对于弹性或者粘弹性材料飞滑动摩擦，摩擦力与表观接触面积密切相关。此外许多材料的摩擦系数会随滑动速度和载荷的大小发生变化。1.4 影响摩擦力的因素物体间的摩擦是多个因素作用的复杂过程。摩擦系数用来表示摩擦大小，由具体的工作条件，并考虑不同因素的影响才能确定。法向压力：实验表明，摩擦系数会因法向压力的增大而减小。摩擦力的大小取决于实际接触面积大小，法向压力的增大会使实际接触面积增大，但是在一般接触情况下，实际接触面积不与法向成正比，它要增加得慢些，因此，法向压力的增加会使摩擦系数降低，对静摩擦也是如此。对于动摩擦来说，摩擦系数与法向压力的关系要复杂得多，因为这时会有能量的消耗和表面粗糙度的变化，但在一定的滑动速度范围内，摩擦系数也是随法向载荷的增加而减小的。静止接触的持续时间：物体表面间相对静止的接触时间越长，摩擦系数就越大。这早就为库仑指出过，并由实验证明的。摩擦力随接触时间的增长而增大并接近于某个极限值。外载荷越大，增长的速度越快。摩擦力与接触时间的关系可以写成Ft=a-be-t式中，a、b是常数（它们与摩擦副材料的性质和施加的法向外载荷有关）；t为接触的持续时间；为接触面间材料的变形特性系数。这样，接触时间为零时的摩擦力F0=a-b，接触时间为的摩擦力F=a。由试验可以决定：知道F0和F后可求出a和b，再根据不同接触时间t的摩擦力F(t)可求出系数来。滑动速度：研究结果表明，滑动速度v对摩擦力的影响很大，有的结论甚至互相矛盾。曲线1是对车轮与钢轨的摩擦的实验结果，表达式为=K1+0.03v式中K=0.31（非常干燥的钢轨）；K=0.22（干燥的钢轨）；K=0.14（湿钢轨）。曲线2是对铸铁制动瓦与钢制轮箍摩擦实验结果，表达式为=1+av1+bv0，式中0=0.45（干燥表面）；a=0.018、b=0.097。若为潮湿表面，0=0.25。曲线3也是对钢轨的摩擦系数研究，从略。图5此外滑动系数也可随速度减小=a+bv为皮革带与润滑的钢尺的摩擦计算式（a=0.15，b=0.015）。相应曲线为图2。图6甚至也有忽大忽小，存在极值（机制的变化存在规律）和更加复杂的变化，这里都不在叙述。可见摩擦学真的是一门经验性的学问。对于不同的情况规律都有所不同。人们早先对摩擦的研究最先注意到了表面粗糙度在摩擦中的地位，把表面粗糙凸起间的相互作用作为决定摩擦力的基本因素，很自然地得出表面越粗糙则摩擦力越大的结论。这也就是机械摩擦理论的分析基础。出现了分子理论后，认识了表面间分子相互作用在摩擦力中的地位，并得出极光滑平整的平面间具有很大的摩擦力的结论。当表面光滑平整、粗糙度很小的时候，由于表面间有很高的分子间作用力会有较大的摩擦力；随着表面粗糙度的增大，实际接触面积会减少，摩擦系数下降；当表面粗糙度继续增大时，由于粗糙凸起起的作用增大而使摩擦力增大。显而易见存在着一个对应于最小摩擦力的表面粗糙度。2 磨损与润滑2.1 磨损根据1969年OECD组织机构的定义，磨损是指由于表面的相对运动导致零件工作表面物质的持续损失(the progressive loss of substance from the operating surface of a body occurring as a result of relative motion of the surface)。根据统计，磨损、腐蚀、断裂是材料的三种主要失效形式，而磨损失效占60%80%，产生的直接和间接经济损失巨大。美国1981年公布的数据表明，每年由于磨损而造成的损失高达1000亿美元，我国铁道部表明，每年因磨损需要更换的备件数量巨大，经济损失也非常惊人。根据不同的运动方式，磨损模式可分为滑动(sliding)、滚动(rolling)、微动(fretting)、冲击(impact)等方式，一些复杂磨损形式往往是上述几种简单运动叠加而成。从介质角度，可分为普通磨损（二体磨损），粒（料）磨损、腐蚀磨损、冲蚀和气蚀磨损等。从损伤机制角度，主要分为粘着(adhesion)、磨削(abrasion)、疲劳(fatigue)、摩擦化学(tribochemistry)等。研究磨损的目的就是掌握某一特殊系列材料的磨损特性，优化和选择材料的特殊应用，了解某些参数对一种磨损模式或者过程的影响，为建立一些特定摩擦系统下的特性预测和描述性的磨损模型奠定基础。磨损和摩擦是相互影响、密不可分的。摩擦可以导致破坏的积累、颗粒的剥离，反过来，这些又可以影响摩擦行为。作为摩擦学特性之一，材料的磨损强度更多程度上取决于使用条件，磨损不是材料的本质特性。2.1 润滑机器在工作时，需要使用各种润滑剂。通常，润滑剂指的是各种润滑油和润滑脂。在现代工程中，几乎任何流体在适当情况下都可以用作润滑剂：空气，水常用来供轴承的润滑之用，在有的场合还要使用石墨，软金属，树脂和塑料这类物质作为固体润滑剂。使用润滑剂的目的是为了降低零件表面间的摩擦、减少或者防止磨损，带走因摩擦而产生的热，去除摩擦表面上的污秽和磨损产物，保护表面不受腐蚀。正确地选用润滑剂是保证机器能正常工作的重要条件。3 前沿摩擦学3.1 仿生摩擦学在进化和生存竞争中，生物形成了具有优异摩擦学性能的优化的结构设计、精巧的材料拓扑和多功能表面织构,成为仿生摩擦学的楷模。从生物的生长过程来看，在进化和演化的过程中实现对生物材料化学成分的变化是非常困难的，因此生物体适应环境、提高材料利用率及节约能源的主要途径是实现对材料拓扑结构优化和表面组织优化，这种优化主要表现为材料拓扑结构的复合化和非均质化，表面结构组织的特异性。它包含着许多人们尚未认识的科学内涵，因此很具潜力。动物学的研究表明, 许多水生动物具有并非光滑的表皮形态。 已经证明鲨鱼表皮的肋条结构(如图7)具有很好的减阻功能, 以此为基础开发的仿生表面织构被用于降低阻力, 以提高游泳运动员的成绩; 用透明塑料薄膜制成平行于流动方向的肋条, 可使飞机阻力减小8%, 这意味着节省燃油消耗约1.5%。 基于鲨鱼皮表面织构的减阻表面结构已经完成飞机模拟飞行实验(图8)。图7.鲨鱼皮上的肋条形态图8. 飞机表面仿生减阻结构模图9 几种动物爪垫的纳米尺度刚毛结构 (a) 甲虫; (b) 苍蝇; (c) 蜘蛛; (d) 壁虎 3.2 纳米摩擦学纳米摩擦学，也称为微观摩擦学或分子摩擦学，它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。纳米摩擦学是90年代兴起的纳米技术的重要分支，有着广泛的应用需求。随着精密机械和高新技术装备的发展，特别是纳米科技所推动的新兴学科为纳米摩擦学的产生提供了一种新的研究模式和研究领域，具有广阔的发展前景。然而摩擦学的宏观研究直接面向机械产品性能提高，因而仍然是本学科现阶段主要研究领域。随着纳米摩擦学的深入发展，并实现宏观与微观研究的有机结合，必将促进摩擦学进一步完善，从而更大限度地发挥其在国民经济中的巨大潜力。3 结束语摩擦学是一门应用广泛，有巨大经济意义的学科。人们越来越清楚地认识到摩擦科学对现代化生产和技术进步以及工业产品质量的改进与提高起到的重要作用。所以必将会有更多对于摩擦力学的研究进行下去。本次探究学习只是源于课堂上的一个小问题，但是令我发现了神奇的摩擦学，收获匪浅。其实物理就是这样，存在于生活的方方面面，又真切地影响着人们的生活。参考文献1 简明摩擦学 林复生 重庆大学出版社2 理论力学胡运康 景荣春 主编 高等教育出版社3 摩擦学原理 温诗铸 清华大学出版社4 摩擦学基础 戴雄杰 上海科学技术出版社5 摩擦学发展前沿 周仲荣 主编6 纳米摩擦学 温诗铸7 仿生摩擦学研究及发戴振东 科学通报 2006年10月对课程的意见和建议：老师