关于摩擦力的一些基本理论

1、关于摩擦力的一些基本理论摩擦力是每当一个固体沿另一个固体滑动时总会受到的运动阻力。这个阻力与运动方向平行，我们称之为“摩擦力”。如果将两个固体相互压紧，并施加一切向力，则引起滑动所需的切向力就是“静摩擦力”。维持滑动所需的切向力就是“动摩擦力”。动摩擦力通常小于静摩擦力。摩擦起因 在前面已经指出，摩擦必定是由于两配对表面之间有相互作用而引起的，其结果产生相对运动的阻力。当两个表面作相对运动时，引起运动的力就作功，也就是说，在接触表面上有能量损耗。在研究摩擦的起因时，应该分别研究表面相互作用和能量损耗机理。1.表面相互作用图1 微凸体互嵌微凸体不发生变形，就不能产生运动当两个表面相互压紧时，会在

2、接触区的某些部分发生粘着，因此这种粘着就是引起摩擦的表面相互作用的一种形式。如果不发生粘着，则产生运动阻力的相互作用就是另一种形式，这时材料一定发生变形和产生位移以适应相对运动。我们只需研究属于这种形式的两个相互作用。第一个是微凸体互嵌。研究了图1所示的情况后显而易见，微凸体材料如不产生位移，表面A和B就不能作相对运动。图2 宏观位移在运动中硬球A压向较软的表面B时引起材料B的位移图2说明位移式相互作用的第二个例子。图中，一个硬球A压向一个较软的平面B。为了产生相对运动，材料B的一部分必须作位移。虽然球A和平面B的表面在显微镜下都是粗糙的，但在这种情况下各个微凸体材料的位移将小于“宏观位移”。

3、因此，我们只有粘着和材料位移这两种相互作用形式，虽然我们发现把材料位移当作微凸体互嵌或宏观位移是方便的。2.能量损耗形式仅有三种机理能在相互作用的表面上引起显著的能量损耗。作相对运动时，材料必发生变形。变形可以是弹性变形，也可以是塑性变形;此外，材料也可能发生断裂。塑性变形总是带来能量损耗，在大多数实际情况下，这种能量损耗占金属摩擦的大部分。当表面相互作用为粘着式时必发生断裂，而当互嵌着的微凸体作相对运动时也会引起断裂。磨屑的形成无疑是发生断裂的迹象。然而，在大多数滑动金属的情况下，断裂时的能量损耗比塑性变形所引起的能量损耗少。其中一个原因是，不是每个微凸体在接触时都能形成磨粒，对常规大气条件

4、下的大多数金属而言，在形成磨粒之前，一个微凸体要作1000多次接触。虽然使金属发生弹性变形需要能量，但这种能量大部分可以回复，因而弹性能量损耗与塑性变形时的能量损耗相比可以忽略不计。但是，某些橡胶在发生弹性变形(由于产生弹性滞后现象) 摩擦的主因。综上所述可知，表面相互作用有两个来源，即粘着和材料位移，由于发生弹性和塑性变形以及断裂，它们会引起能量损耗。摩擦定律通过实验已发现了两条基本的摩擦定律，它们能适用于各种各样的条件。但是也有一些显著的例外，这将在后面举例说明。这里应该强调指出，这两条摩擦定律就其性质来说是以实验为根据的，当然即使在不服从摩擦定律的那些情况下，也不会违反基本的物理原则。第

5、一定律表明，摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关，而第二定律表明，摩擦力与两物体之间的法向载荷成正比。因此，一块砖沿其侧面滑动与沿其端面滑动同样容易，如果两滑动体之间的载荷增大一倍，则摩擦力也增大一倍。法国工程师Amontons于1699年提出了这两条定律，之后人们就常常称之为“阿蒙顿定律”。Coulomb于1785年提出了第三定律，即动摩擦力几乎与滑动速度无关，但此定律的适用范围比前两定律小些。摩擦系数第二摩擦定律使我们能给摩擦系数下一定义。第二定律表明摩擦力与法向载荷W成正比，即所以式中为常数，称为“摩擦系数”。必须强调指出，仅仅对于给定的一组周围条件下，才是常数，材料不同和条件不同，也

6、就不同。例如，硬钢表面在常规大气条件下与同样表面发生摩擦时，的典型值大约等于0.6。同样的材料组合在高真空条件下发生摩擦时，值要高得多。在常规大气中，石墨与石墨组合的值大约等于0.1，但是如果大气非常干燥，则值可升高到0.5以上。由于任何表面在显微镜下观察几乎都是粗糙的,实际接触面积占表观接触面积的一小部分。而且，实际接触面积与表观接触面积无关。这样就把第一摩擦定律解释清楚了，因为摩擦力与实际接触面积无关。表面粗糙度与实际接触面积当两个物体相互摩擦时，在接触表面上发生某种形式的相互作用，以阻止一者行相对运动。大多数摩擦理论均假设单位接触面积上的阻力为常数。因此，F=As式中 F摩擦力； A实际

7、接触面积； S阻止相对运动的单位面积上的恒力，即单位摩擦力。如果假设s为常数是合理的，就可看出A的重要性。由此可得出关于实际接触面积的一些较重要结论：（a）当单个球面接触时或一系列处于同样高度的相同球在承载条件下只发生弹性变形时（b）当接触完全为塑性时（c）当表面的微凸体高度分布可用指数函数来表示时不论变形型式如何，即不论是弹性变形还是塑性变形，都是如此。（d）当表面的微凸体高度分布为高斯分布时，我们仍能精确地写成（对于任何的变形型式）（e）许多实际表面的微凸体高度分布接近于高斯分布。上述结论（a）和（b）与验证第二摩擦定律的实验结果相结合时，在过去曾得出了微凸体接触必为塑性的结论。然而，各种物理论据和实验结果都表明，在一定的条件下，例如摩合良好的表面，虽其，但肯定处于弹性状态。这种明显的反常现象现在可用上述（d）和（e）来加以解释。现在，对模型和实际表面的变形加以分析就能阐述符合实际的摩擦理论，而且毫无疑问将来对现有理论的任何改进必定以这种分析为根据。心得体会：这次写小论文，觉得自己收获很大。主要在下面两个方面。第一，通过这次自己写小论文的尝试，对关于摩擦力的这些基本理论有了一些了解，而且学到了一些课本外的东西，觉得对自己的学习很有帮助。更重要的是，学会了一种新的