三、摩擦力

图 1-24

    摩擦力也是普遍存在的, 并在大家的生活和技术中产生重要作用。在桌面上滑动的物体, 由于摩擦力的存在, 其运动速度会逐渐减小; 机床和车轮的转轴, 由于摩擦力的作用, 会逐渐损坏。在现代交通工具中, 有10%至30%的功率消耗于克服摩擦力。但是, 如果没有摩擦力, 大家的一举一动都会变得不可思议了。人无法行走, 车子无法行驶, 即使将车子开动起来也无法使它停止, 连吃饭都变得十分困难了。

    当一个物体在另一个物体表面上滑动或有滑动趋势时, 在这两个物体的接触面上就会产生阻碍物体间作相对滑动的力, 这种力就是摩擦力。当物体有滑动趋势但尚未滑动时, 作用在物体上的摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力的大小与外力的大小相等, 而方向相反。当大家用力推一个放在水平桌面上的物体时, 物体并没有沿桌面滑动, 仅有滑动的趋势。物体不滑动, 是由于在水平方向上, 物体除了受到推力以外, 还受到一个与推力大小相等、方向相反的静摩擦力f的作用, 如图1-24所示, 这两个力的合力为零, 所以物体保持静止。当推力增大时, 静摩擦力也随着增大, 直到静摩擦力增大到最大值, 若再继续增大推力, 物体就开始在桌面上滑动了。实验证明, 最大静摩擦力fmax 的大小与支撑力N的大小存在下面的关系

  fmax = m0 N ,                     (1-66)

式中m0称为静摩擦系数, 是由两个物体表面状况和材料性质等因素所决定的, 通常由实验测得。所以, 静摩擦力的大小由外力的大小决定, 可以取从零至fmax之间的任何值。

    当一个物体在另一个物体的表面上滑动时, 在接触面上所产生的摩擦力, 称为滑动摩擦力。实验表明, 滑动摩擦力的大小也与支撑力 N 的大小成正比, 即

                           ,                     (1-67)

式中m称为滑动摩擦系数, 其数值主要由接触面的状况和材料性质所决定。对于给定的两个物体,其滑动摩擦系数m要比其静摩擦系数m0略小, 当相对滑动速率不太大时, 滑动摩擦力小于最大静摩擦力。实验还表明, 当两个物体的接触面不是很大或很小时, 摩擦系数几乎与接触面积无关。作为一种粗糙模型, 在计算时可以认为滑动摩擦系数等于静摩擦系数。

    上面所说的摩擦现象都是在两个物体之间发生的, 故称外摩擦现象。在物体内部各部分之间, 若有相对移动, 也会发生摩擦现象, 这种摩擦现象称为内摩擦。在流体(液体或气体)中这种现象很明显。关于流体中的内摩擦现象, 大家将在以后讨论。

    润滑剂是一种黏性液体, 将它涂敷在两个发生相对滑动的固体表面上, 就在固体表面之间形成一层薄液体层, 将固体的接触面隔开。于是外摩擦现象就转变为液体层内部的内摩擦现象, 使摩擦力大为减小。这种方法在技术上经常采用。

    摩擦力产生的原因非常复杂, 除了两个接触面凹凸不平而互相嵌合外, 还与分子之间的引力作用和静电作用有关。

       
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