在生活和學校數(shù)學課本中,常見材料間的磨擦系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)為磨擦角的余弦值。當磨擦系數(shù)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(shù)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(shù)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(qū)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(xiàn)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(lián)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(xiàn),沒有粘著就沒有磨擦。
正因這么,塑性較強的物體才能產(chǎn)生更多的微觀粘著,常常有著較高的磨擦系數(shù)。諸如厚實的金屬銦(In)與鎂(Mg)的磨擦系數(shù)是1.17,與鎘(Cd)的磨擦系數(shù)更高達1.52。據(jù)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(chǎn)生的粘著面積降低,甚至還能產(chǎn)生牢靠的聯(lián)接,稱為冷焊。不過,在生活中甚少就能聽到這樣的現(xiàn)象。這是由于在大氣中,金屬表面會產(chǎn)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(shù)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(huán)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(xiàn)象。例如靜止接觸時間越長,靜磨擦系數(shù)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(xù)進行,讓微觀粘著的面積降低。又例如滑動并非連續(xù)平穩(wěn)的運動,而是斷續(xù)的躍動。這是因為在滑動過程中,粘著在不斷地重新產(chǎn)生并隨之扭斷。在高中數(shù)學課上,我們所學的阿蒙東-庫倫磨擦定理雖然只是經(jīng)驗定理,甚至可以說只是特例。而在實際情況中,磨擦系數(shù)隨著氣溫、速度、環(huán)境等誘因,就會發(fā)生變化。研究磨擦力已經(jīng)產(chǎn)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(fā)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(shù)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(shù)凸凹發(fā)生接觸,強悍的壓力使其產(chǎn)生塑性變型,粘著在一起,將粘著扭斷所需的力就是磨擦力。
封面圖:源自網(wǎng)路,侵刪掉。