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有关摩擦的小知识

有关摩擦的小知识
方正三中 郑晓东
一、摩擦研究小史
人类很早就对摩擦现象有了认识并加以利用,许多早期的文献里,都有把摩擦的影响减至最小的多种尝试的记载,2000多年前的亚里士多德就已经提到摩擦力的概念。但是真正对摩擦进行定量的研究,则始于15世纪的文艺复兴时期。
1508年,达·芬奇(Leonardo da Vinci, 1452~1519)使用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究,测量了水平和斜面上物体间的摩擦力,他得出了等重物体之间的摩擦力与接触面积无关的重要结论,并首先引入了摩擦系数的概念。他将该系数定义为摩擦力和垂直载荷的比值,即μ=F/P。他的结论是:“每一个摩擦物体所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一。”当时他使用的材料大多为硬木或铁与硬木的组合,他的结论对于这些材料来说还是比较符合实际的。
进入16世纪后,由于水力和风力能源的广泛应用,机器大量增加,特别是磨的发展,大大推进了对摩擦的研究。许多科学家进行了各种各样的摩擦实验,其中最有成就者当推法国实验物理学家阿蒙顿(G.Amontons,1663~1705)。作为一个永动机的积极倡导者,他自然对摩擦产生的损失特别感兴趣。他通过多次实验后,于1699年12月19日向皇家科学院提交了一份经典论文。在文中提出了摩擦力的经典规律,这就是后来人们所熟知的阿蒙顿定律。
①静摩擦定律:两接触物体间的最大静摩擦力,跟接触面上的正压力成正比,并与接触面的性质及状态有关;但与接触面的面积及形状无关,即f=μ0·N。
②滑动摩擦定律:滑动摩擦力跟摩擦物体接触面上的正压力成正比,跟外表面的接触面积无关,即f=μ·N。
进入18世纪的法国,在经济、军事、工业等方面有了很大的发展。机器的大量使用,使得机械的效率和耐磨问题成为了一大难题。为此,巴黎科学院于1781年以“摩擦定律和绳的倔强性”为题,进行了一次有奖竞赛。库仑研究总结了达芬奇和阿蒙顿的实验和理论之后,又进一步做了大量的实验,最终以《简单的机械理论》为题的论文赢得了这次竞赛的优胜奖,提出了他的摩擦理论——库仑摩擦定律。
①库仑摩擦第一定律:摩擦力跟作用在摩擦面上的正压力成正比,跟外表面的接触面积无关。这实际上就是阿蒙顿定律,也就是现在称谓的静摩擦定律和滑动摩擦定律。
②库仑摩擦第二定律:滑动摩擦力和滑动速度大小无关。这一结论,若作为普遍法则是不正确的。实际上滑动摩擦力和滑动速度的关系是相当复杂的。
③库仑摩擦第三定律:最大静摩擦力大于滑动摩擦力,即f静max>f
④库仑二项式定律:反映了摩擦力和负载之间的关系,即滑动摩擦力f=μN+A。
库仑认为“常数”A跟正压力的平方根成正比,但它都没有反映出A的物理意义,这一定律也只适用于干摩擦和边界摩擦。
库仑对摩擦的研究,总结了从达·芬奇到阿蒙顿的理论,提出了他的库仑摩擦定律。但是,实际上这些定律只能是经典的经验公式,对于实际情况也仅仅是近似的、粗浅的描述。
19世纪,随着蒸汽机进入实用阶段,工业革命迅速普及,为了防止机器的高速转动而带来的轴承烧焦和磨损,润滑成了这个时期摩擦研究的特征。
1883年,英国的托尔在研究轴承的润滑中发现油膜具有高压力;同时代的雷诺根据托尔的发现,利用流体力学的原理,从理论上证明了因旋转而在油膜中产生高压力的现象,说明了轴与轴承的间隙能支持载荷的道理。
1896年,金斯伯里证明了用空气代替润滑油的设想,在一次美国军事系统的展览会上进行了空气轴承的公开表演。这种轴承后来在高速磨床、高级陀螺仪上得到了广泛的应用。
在这一时期,雷尼、莫伦等人测定了许多物体间的摩擦系数,迄今仍在广泛应用。
总之,进入19世纪,由于摩擦的实验定律大体已确立完毕,只是在研究如何减小摩擦方面进行了一系列工作,但仍然没有对摩擦的物理机制给以科学的、满意的解释。摩擦本质的研究,出现了多种学说。
早在达·芬奇、阿蒙顿、库仑等人在研究摩擦定律的同时,就对摩擦的物理机制提出了一个凹凸说。他们认为摩擦的根源在于两表面的凹凸相互啮合,当一个物体在另一个物体表面上滑动时,互相啮合的凹凸部分,就会相互撞碰,并且被破坏,阻碍物体运动,就产生了滑动摩擦。但是这一理论无法解释为什么表面越光滑,反而摩擦越大,新生成的结晶表面在空气中停留时间一长,摩擦系数会急剧减小等现象的产生。
1734年,贝萨克利基于光滑铅柱的粘合实验,认为摩擦的物理机制在于相互摩擦的表面分子间的相互作用力,因而提出了一种分子说。他预言:“只要把平面无止境地研磨得很光滑,摩擦迟早会增大的。”这一理论得到了英国物理学家文斯(1749~1821)的赞同,并被实验所证实。
凹凸说认为摩擦源于凹凸体间的相互挤压、剪切的机械阻力;而分子说则认为摩擦来源于接触面上晶体分子间电性引力。其是非焦点在于前者认为摩擦是凹凸间的斥力,后者认为是接触面间的粘着引力。
1939年,克拉格尔斯基统一了争论很久的凹凸说和分子说,认为摩擦具有二重性:它不仅要克服两表面分子相互吸引所决定的作用力,还要克服由于表面粗糙互相啮合而发生变形所引起的机械阻力,从而提出了一套摩擦的分子—机械理论学说。
1950年,包登等人认为两物体个别接触区产生的高压引起局部热熔而粘为一体,这样形成的连结又因表面相对滑动而剪断。粘着点的形成和剪断在接触表面上交替进行,构成摩擦的粘着分量;较硬表面的微凸体犁削较软材料的基体,构成摩擦的变形分量,总的摩擦力是二者之和。这种理论被称为粘着说,被普遍承认适用于金属间的摩擦。
近年来,由于表面技术加工的发展,半导体工业所带来的高真空、高洁净环境技术的发展等有利条件,相继又出现了表面微凸体的塑性作用学说和热活化分子动力交换学说,这些学说也能在一定范围内说明摩擦产生的物理机制。但是,由于影响摩擦的因素相当复杂,现有的这些学说都不是包罗万象的,无法完整和圆满地将摩擦的物理机制说清楚。
二、摩擦的作用
1. 摩擦的有利作用
①传动作用。各种动力机、驱动轴,在很大程度上是依靠传动装置(如皮带、传动链、齿轮、蜗轮、蜗杆等)和各个联动部件之间的静摩擦力,带动各种工作机运转。传送带也是借助它与其上物体间的静摩擦力,带动后者并传送到预定地点。
②制动作用。各种机械和交通工具乃至行人的减速和停止运行,都是借助于摩擦作用。据此制成制动器和离合器,后者主要用来接通或断开传动链两轴之间的运动,以实现机械的开停、换向和变速等效能。
③阻尼作用。转轴和轴承,常常由于发生油膜振荡而造成损坏。对此,可以利用摩擦消耗能量、减小振幅的作用,制成各种阻尼器,以实现阻振。
④升温作用。微波炉利用微波透射被加热的物品,使其分子发生低于微波频率的几十万赫兹的高频振荡。由于分子之间的摩擦产生大量的热,而使该物品温度剧烈升高。这种加热方式没有蒸气、烟雾、油垢的污染,而且耗电少、效果好,例如它可使冰冻物品在几分钟内解冻。
2. 摩擦的有害作用
①损耗能量,由各种形式的能量所转化成的机械能,由于摩擦作用,将进而转化为热能而耗散。据估计,世界上目前应用的能源,约有1/3到1/2最终以各种方式表现为摩擦损失。
②引起磨损,磨损是一个固体在另一固体或介质的摩擦力作用下所发生的表面材料损坏过程。它使机械效率降低,润滑油和功率的损耗增加,零件丧失精度乃至损坏,因而需要不断更换。            
三、“滚动摩擦比滑动摩擦小”的含义 
                                                       图8-5-7
首先要对滚动摩擦有个正确的理解。滚动摩擦是一个物体在另一个物体上滚动时,物体所受到的对滚动的阻碍作用。滚动摩擦实际上是一种阻碍滚动的力偶矩。如图8-5-7所示,当一个物体在平面上滚动时,物体除了受到重力G、弹力N外,在接触处还受到摩擦力f的作用。重力G与弹力N组成一个力偶,其力偶矩MN,这个力偶矩的方向与物体转动的角速度ω相反,对转动起阻碍作用,这就是所谓的滚动摩擦力偶矩,它阻碍物体的滚动。摩擦力f对质心C产生的力矩f·R和转动角速度方向一致,它不阻碍物体的转动,而是推动物体滚动。滚动摩擦的产生是由于物体和平面接触处的形变引起的。物体受重力作用而压入支承面,同时本身也受压缩而变形,因而在向前滚动时,接触前方的支承面隆起,这使得支承面对物体的弹力N的作用点从最低点向前移,所以弹力N与重力G不在一条直线上,而形成了一个阻碍滚动的力偶矩,这就是滚动摩擦。滚动摩擦的大小用力偶矩来度量,且与正压力成正比,比例系数δ叫做滚动摩擦系数,它在数值上相当于弹力对于滚动物体质心的力臂,因此它具有长度的量纲;它跟滚动物体和支承面的材料、硬度及物体的半径等因素有关。
既然滚动摩擦的大小是由滚动摩擦力偶矩决定的,所以对“滚动摩擦比滑动摩擦小”,我们不能理解为滚动摩擦力矩比滑动摩擦力小,因为力矩跟力是无法比较大小的,也不能说:“滚动摩擦力比滑动摩擦力小”,因为并不存在一个“滚动摩擦力”。一般我们所说的“滚动摩擦比滑动摩擦小”,指的是在其他条件相同的情况下,克服滚动摩擦力矩使物体运动需要的力比克服滑动摩擦力所需要的力小得多。
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