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[!--downpath--]談論化學與技術第 12 部分
摩擦與工程
劉斌生 2021/08/15
摩擦力與工程技術的關系非常密切，但傳統教科書對此關注不多。 雖然它有許多重要的例子，但它也定量地使用了一些基本的熱理論。 初高中教學要兼顧，一些例題還可以為編習題和試題提供素材。
01 減少摩擦危害的一些技術
1、最常用的方法——加潤滑劑
潤滑劑在固體之間形成一層油膜摩擦力和彈力的關系，將干摩擦轉變為濕摩擦。 潤滑油有很多種。 有的很“薄”，適用于輕載、高速運轉的機械，如機械鐘表、大小電機中的滑動軸承等。 有的比較“稠”，甚至變成糊狀（稱為油脂），用于重型和相對低速的機械，如自行車、汽車、普通電機中的滾動軸承等。
2、選對材料
它不僅可以減少動摩擦的原因，還可以控制腐蝕以防止“雙輸”。
例如，普通機械中的滑動軸承多為鋼軸配合銅合金軸承。 圖1為小型軸承結構，主體為兩個圓弧形軸承瓦，固定在軸承座內，運轉時應加注潤滑油或油脂。 由于銅軸的強度遠小于鋼軸，車削時只有軸瓦生銹，軸瓦易于維修和更換。
圖1
還有一種用聚四氟乙烯塑料制成的滑動軸承，與鋼軸配合使用，只是摩擦素數很小，但這些塑料具有自潤滑性能，不需要注油。
無軌電車和電力機車都有石墨制成的滑塊（或滾輪）與架空鋁線接觸。 石墨還能導電，與銅的摩擦系數小，并以自身的銹蝕保護架空鋁線的壽命。 大多數實用的直流電機都使用石墨襯套。 玩具電機和教學電機為了簡單起見，使用銅線或銅片作為套管。 詳情請參考本公眾號文章《來自碳與無軌電車》（2020年7月）。
3.使用浮動方法使實體脫離接觸
例如，實驗室中使用的氣墊滑梯和氣墊平臺（用于觀察二維碰撞）。 交通運輸中的磁懸浮列車，個別高速旋轉的機器也使用磁懸浮軸承。
02 減少摩擦的一些技術
1、在材料和產品的表面質感上下功夫
比如鞋跟的防滑，地磚的防滑等等。 測量產品性能時，估計摩擦素數不是按照教科書上的方法測量的，而是要在實際使用情況下進行測試，比如汽車輪胎。 移動距離。
2.借助柔性材料與剛性固體材料之間摩擦力的特殊定律
柔性材料（如橡膠、軟塑料）與剛性固體材料之間的摩擦，在某些特殊情況下會有特殊的規律。 如：在圖2所示的一種皮帶傳動中，人們發現橡膠帶對鋼帶輪的“包角”較大，相互之間的摩擦力也較大。 在實際應用中，兩個滑輪的半徑不宜過大，這是為了防止皮帶與小滑輪C之間“打滑”。同理，拴馬時，讓坐騎繞樁子轉兩圈更多，馬不會輕易掙脫。
圖 2
再有，人力四輪車的前輪上通常采用如圖3所示的簡易制動裝置，(也稱“抱閘”)。 讀者可自行分析其作用原理。 關鍵在于：C與D的包角可達270°以上，通過杠桿加力，使橡膠帶C抱住制動輪D，使D獲得更大的摩擦力矩。 這樣可以使后輪在短時間內減速停止。
圖 3
車輛的車輪都需要有能夠形成強大摩擦力的制動裝置。 例如，鋼制的“剎車鼓”或“剎車盤”和相應的“剎車片”裝在車輪的軸上。 制動時，制動片通過液壓機構緊壓在制動鼓或制動盤上。 圖4為剎車片結構示意圖。
圖 4
那么剎車片表面應該選擇什么樣的摩擦材料呢？ 從數學的角度來說，其實就是要把素數搓得越大越好。 但在工程技術上，還必須滿足許多其他條件，如耐低溫、不燃燒、耐腐蝕、適當的導熱性、不怕水、環境污染小、性能穩定等。 這是材料科學需要研究和解決的問題。 目前常用的摩擦材料有：（1）半金屬型，由鋼絲等材料制成； (2)低金屬型，比上述配方摻入更多的碳、石墨、陶瓷纖維。 (3)陶瓷配方型。
03 機械預制構件自鎖及其應用
自鎖是靜摩擦起的極其重要的作用。 在機械工程技術中得到廣泛應用。 應該作為教學中的重要范例，可惜教材中沒有提及。
一、邊坡的自鎖現象及規律
如圖5所示，鐵塊A放在木坡B上，如果夾角θ很大摩擦力和彈力的關系，鐵塊會自行加速下降。 當θ大于一定值時，鐵塊借助靜摩擦力自行停在斜面上。 這種靜止狀態在機械工程中稱為自鎖。 在這種狀態下，最大靜摩擦力fmax必須小于N和G的合力。假設A和B之間的滑動摩擦素數為μ，則實現自鎖的條件是tgθ
