免費下載!
[!--downpath--]與大多數人想象的相反,摩擦的機理還沒有一個足夠好的理論來解釋,盡管有大量不同的摩擦理論,而且都存在不同程度的問題。 但是,這并不影響工業界使用一些近似理論進行工程開發,而在科學上,就目前的情況來看,這應該還是一個有待解決的問題。
對于宏觀的、具有屈服硬度的非粘性材料(通常是金屬),界面上無介質影響情況下的摩擦力(干摩擦力)在實驗中大致有幾個規律,其中三個是我們在 中學到的小學:
1、靜摩擦系數小于動摩擦系數
2、摩擦系數與接觸面積無關
3、摩擦力與滑動速度無關
還有三個我們沒見過:
1、靜接觸時間越長,靜摩擦系數越大
2、滑動摩擦不連續出現,有抖動
3、靜摩擦有預位移(靜摩擦時會形成一個小位移)
其中,第三項我們在日常生活中很難觀察到,第一項很少能直觀觀察到(因為生活中很少有符合要求的金屬物品),第二項很常見:使用一塊粉筆,磨底面,在光滑的表面豎立摩擦,能聽到很大的震動,這與脈動有關; 例如,當車輛剎車時,還可以聽到摩擦脈動發出的嘯叫聲。
為了讓非專業人士更好地理解,我覺得有必要對“嘯叫”進行解釋。
在某些情況下(例如前面解釋的金屬摩擦),摩擦系數與速度無關,而是速度和速度遞減的函數。 為了剖析這個問題,我們使用右側顯示的模型:
一點作勻速運動,具有減振作用的彈簧帶動水平面上的塊體,塊體與水平面之間形成摩擦力。
首先,讓我們粗略地定性地分析一下這個模型。 實際上,在這個模型中,存在一個平衡點,即當方塊的移動速度為v1時,同時方塊所受的力為零。 關鍵是這個點是否穩定平衡。 假設彈簧的寬度比平衡位置短一點,所以物體的摩擦力小于拉力,物體開始減速。 同時,因為u(v)在減小,對應的u會變大,所以摩擦力會變大。 ; 相反,如果彈簧稍長一些,物體的速度就會開始推動,摩擦力就會開始減小。 當身體從偏離平衡位置的偏離點返回時,這兩種效應都會導致身體獲得能量,從而加強這些偏離。 如果這種效應足夠強,模型中的對象完全有可能發生異相振蕩。
嚴格的規范仍然需要估算。 為了簡化方式,在參考系中以相對于地面的速度v1進行處理,有一個運動多項式:
再次
Terra 展開,只取一階行列式項有
可以通過移動參考系來消去常數項u(v1)摩擦力和彈力的關系,因此最終得到一個齊次的常系數二階常微分方程:
熟悉這個多項式的人很容易發現,當
,多項式的解是一個遞增的指數函數除以一個余弦函數,也就是說振幅遞減的振動。或者如果你不熟悉方程,沒關系,你可以看到
對應于彈簧振子的阻尼項,若該項為負,則系統由耗散結構轉變為有能量輸入的結構。
也就是說,當彈性結構發生摩擦時,如果摩擦力隨著速度的降低而減小,那么摩擦力可以為結構的下落提供能量,當滿足適當的條件時,系統可以進行相位振蕩,如果這個振蕩頻率剛好在可聽范圍內,你可能會看到抖動。
后面會提到摩擦力和彈力的關系,為了解釋摩擦現象,存在著大量的摩擦學說,這里我們只簡單介紹與上述六大實驗定律相關的幾種常見的摩擦學說。
第一個就是之前答主提到的機械漸開線理論,也是小學老師經常提到的理論。 這些理論認為,材料表面的粗糙度導致了摩擦的存在。 具體來說,是由于材料表面凸起和凹痕的耦合,碰撞,以及常說的溝槽效應,即材料表面的凸起引起相鄰表面的凹痕,形成一種力.
這是最好理解的理論。 然而,這個理論實際上存在很多問題。 最致命的打擊是,根據這個理論,表面越光滑,摩擦系數越小,但是就像前面回答者提到的,兩個極其光滑的金屬表面會使摩擦力減小,再說一遍,這個理論很難解釋用于預位移、加加速度和靜摩擦系數隨時間的降低。
人們對分子間的斥力有了一定的認識后,提出了分子相互作用的理論。 該理論的基本思想是固體之間的接觸部分存在分子間斥力。 表面滑動時,分子直接接觸和分離,前后勢能差造成摩擦的存在。
由分析模型可知,摩擦力的大小與分子分離數成反比,與分離能成反比,進而與接觸面積成反比。 由于分子分離能對位置高度敏感,因此可以推測摩擦力在很大程度上與壓力無關。
根據模型預測,摩擦力與接觸面積成反比,與粗糙度呈負相關,與壓力基本無關。 事實上,這個模型并不符合前面六個實驗現象。
1945年提出的粘著摩擦模型綜合了前兩種理論(此時相對論和量子熱理論已經建構了很長時間),主要有以下幾點:
接觸面處于屈服狀態
也就是說,由于表面粗糙,接觸面小,接觸浮力大,直接假設接觸點屈服是合理的。 此時接觸點浮力等于屈服浮力。 可以看出,接觸面積與壓力成反比。
在這里,分子相互作用模型的預測與摩擦力、摩擦面積和壓力的實驗結果之間的矛盾得到了解決。
滑動摩擦中存在粘著和滑動的交替作用
在動摩擦的過程中,由于接觸點的吸熱和其他誘因,接觸點會粘在一起(可以理解為釬焊在一起),然后接觸點會因摩擦力而被剪切變形,接觸點開始滑動,從而產生動摩擦跳躍現象。
摩擦是由包括粘附和起皺在內的多種效應疊加產生的
雖然假定接觸位置屈服,但溝槽效應仍然存在,但它與兩個接觸面的硬度有關。
事實上,通過這個模型,可以推導出兩種不同硬度的金屬之間的摩擦素數。 如果忽略溝槽效應,摩擦系數可以直接推導出等于剪切屈服浮力/壓縮屈服浮力。
該模型仍然存在問題,通過這種方式得出的摩擦系數與實驗結果不太吻合。 下一個校正是校正接觸部分的狀態。 接觸的位置并不都與摩擦力平行。 如果有傾斜(如機械耦合理論所描述的那樣),里面的估計就會不正確。 修正后結果與實驗吻合較好。修改后的粘合劑模型
至此,題目的主要問題已經在很小的范圍內得到了解答。 對于上述簡化條件適用的情況,同時考慮機械作用和分子粘附的修正粘附模型基本上可以解釋這些情況下摩擦形成的原因。 .更多的模型需要一本很長的書才能涵蓋,但正如我在開頭提到的,這個問題仍然有些未解之謎。 人類科技發展如此之快,這確實是一件非常有趣的事情,但直到明天我們還沒有這些無處不在的力量的良好模型。