在生活和學校數學課本中,常見材料間的磨擦系數總是在0.3~0.6,范圍再放大些,也不過是0~1。其實你會困惑,莫非磨擦系數存在一個1的上限嗎?要想了解這一點,我們先來瞧瞧磨擦究竟是哪些。
磨擦系數似乎是阿蒙東-庫倫磨擦定理(磨擦力只與法向荷載有關,與接觸面積、滑動速率無關)中磨擦力與法向荷載之比,也可以將其等效于物體在斜面上開始向上滑動時斜面的夾角,即磨擦角。稍加估算,就可得出磨擦系數為磨擦角的余弦值。當磨擦系數等于1時,磨擦角就是余弦值等于1的角度,即45°。也就是說,只要一個物體在一個夾角為45°斜面上還沒有滾落,這么該物體與斜面的磨擦系數就小于1了。在生活中我們能找到這樣物體嗎?這似乎并不難,兩塊干凈的橡膠常常能夠維持超過45°的磨擦角(磨擦系數1.16)。再夸張一些,在膠水構成的斜面上,幾乎手邊的任何物體的磨擦角都能輕易超過45°。
你或許會說:等等,膠水那里算是磨擦,這分明是粘著呀!而且,磨擦和粘著究竟有哪些區別呢?在微觀視角中,物體接觸面上的凸凹體因法向荷載而出現塑性變型后,才會因為分子間斥力(范德瓦爾斯力等)而互相粘著。要想聯通物體,就得把這樣的粘著扭斷,這就是磨擦力的本質。也就是說摩擦力是畫在接觸面上嗎,磨擦力是微觀的粘著在宏觀的表現,沒有粘著就沒有磨擦。
正因這么,塑性較強的物體才能產生更多的微觀粘著,常常有著較高的磨擦系數。諸如厚實的金屬銦(In)與鎂(Mg)的磨擦系數是1.17,與鎘(Cd)的磨擦系數更高達1.52。據悉,同種金屬之間非常容易互相粘著。像金與金、鋁與鋁這樣延伸性較好的金屬之間,隨著塑性變型產生的粘著面積降低,甚至還能產生牢靠的聯接,稱為冷焊。不過,在生活中甚少就能聽到這樣的現象。這是由于在大氣中,金屬表面會產生氧化層與氣液分子吸附膜,大大消弱了粘著。例如在有氧化膜的情況下,銅和銅的磨擦系數為0.76,倘若是純凈表面的話,就可達到1.21。并且,在宇宙空間這樣的高真空環境中,冷焊效應就不可忽略了。在歷史上,就曾有因冷焊造成本應活動的部件粘著在一起,致使航天器失效的案例。
粘著理論還能否解釋一些小學課本中避而不談的現象。例如靜止接觸時間越長,靜磨擦系數越大。這是因為隨著時間延長,凸凹體之間的塑性變型會持續進行,讓微觀粘著的面積降低。又例如滑動并非連續平穩的運動,而是斷續的躍動。這是因為在滑動過程中,粘著在不斷地重新產生并隨之扭斷。在高中數學課上,我們所學的阿蒙東-庫倫磨擦定理雖然只是經驗定理,甚至可以說只是特例。而在實際情況中,磨擦系數隨著氣溫、速度、環境等誘因,就會發生變化。研究磨擦力已經產生了一門奇特的學科——摩擦學。
這么,假若接觸面在哪怕微觀上都完全干凈且光滑,會發生哪些情況呢?這時侯,物體間的接觸面會形成強悍的分子引力(范德瓦爾斯力),將兩個物體牢牢地黏在一起(相當于冷焊),致使磨擦力十分巨大(磨擦系數可輕易小于1)摩擦力是畫在接觸面上嗎,但是磨擦力就會隨接觸面積的減小而減小。在這些情況下,光滑這個詞將不再適用:盡管這樣的接觸面潔白度很高,但卻一點都不滑!
物體接觸面上僅有少數凸凹發生接觸,強悍的壓力使其產生塑性變型,粘著在一起,將粘著扭斷所需的力就是磨擦力。
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