能否实现真正的“零摩擦”备考复习

1、图图10 1静序擦系数打接触时间的关系 / 7静摩擦系数与接触时间的关系经典摩擦理论摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。摩擦现象涉及的 因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论。机械啮合理论早期的理论认为摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩擦中能量损耗于粗糙峰的 相互啮合、碰撞以及弹塑性变形，特别是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形成的 犁沟效应。下图是Amontons （1699年）提出的最简单的摩擦模型。摩擦力为以摩擦力为以11$刀护F= fW摩擦系数f= tan*,它是由表面状况确定的 常数。在一般条件下，减小表面粗糙度可以 降低摩擦系数但是超精加工表面的摩擦 摩擦力为：F=fW在一般

2、条件下，减小表面粗糙度可以降低摩擦系数。但是超精加工表面的摩 擦系数反而剧增。另外，当表面吸附一层极性分子后，其厚度不及抛光粗糙高度 的十分之一，却能巨大地减小摩擦力。这些都说明机械啮合作用并非产生摩擦力 的惟一因素。分子作用理论随后，人们用接触表面上分子间作用力来解释滑动摩擦。由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生滑动阻力，这称为粘着效应。Tomlinson （1929年）最先用表面分子作用解释摩擦现象。他提出分子间电 荷力在滑动过程中所产生的能量损耗是摩擦的起因，进而推导出Amontons摩擦 公式中的摩擦系数值。两表面接触时,一些分子产生斥力P ,另一些分子产生吸力Pp。则

3、平衡条件为工Pp数值很小,可以略去。若接触分子数为n,每个分子的平均斥力为P, 则得：W =艺 P = nP在滑动中接触的分子连续转换 , 即接触的分子分离 , 同时形成新的接触分 子, 而始终满足平衡条件。 接触分子转换所引起的能量损耗应当等于摩擦力做功 故：f W x = kQ式中, x 为滑动位移 ; Q 为转换分子平均损耗功 ; k 为转换分子数 , 且k = qn xl这里, l 为分子间的距离 ; q 为考虑分子排列与滑动方向不平行的系数。将 以上各式联立可以推出摩擦系数为f =qQPl应当指出 , Tomlinson 明确地指出分子作用对于摩擦力的影响 , 但他提出 的公式并不能

4、解释摩擦现象。 摩擦表面分子吸力的大小随分子间距离减小而剧增 通常分子吸力与距离的 7 次方成反比。因而接触表面分子作用力产生的滑动阻力 随实际接触面积的增加而增大 , 而与法向载荷的大小无关。根据分子作用理论应得出这样的结论 , 即表面越粗糙实际接触面积越小 , 因而摩擦系数应越小。显然 , 这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。如上所述 , 经典的摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都很不完善 , 它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面的。 在20 世纪30 年代末期 , 人们 从机械 -分子联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论。在英国和前苏 联相继建立了两个学派 , 前者以

5、粘着理论为中心 , 后者以摩擦二项式为特征。 这 些理论奠定了现代固体摩擦的理论基础。“零摩擦”的实现以上介绍了摩擦的基本理论及经典摩擦定理， 通过以上理论我们可以分析出 如果要实现“零摩擦” ，就要避免物体的相互接触、相互运动等，广义上讲是可 以实现的，但是进入微观世界，分析磁场力、物体间的相互引力等因素， “零摩 擦”是不可能实现的。下面通过介绍几种实现广义实现“零摩擦”的例子：交通方面（主要从摩擦力方面介绍） ：长期以来，交通工具有效经济提速的 主要思路，一直放在减小摩擦阻力上面。火车通常比汽车跑得快、拉得多、运输 成本低，原因之一就是铁轨的摩擦阻力比公路小。 然而对于轮式列车， 摩擦阻

6、力 再小也不能降为零，因此它提速空间有限（最快的高速轮式列车的速度大概在 300400km/h,再高的速度就很难达到了）,于是人们又发明了飞机。飞机飞行时 根本就没有与路面摩擦阻力的问题，因此飞机的速度比地面交通快多了。然而， 飞机在高空飞行需要克服重力,因此虽然速度快,但是燃料消耗大,成本高。于 是人们又不断地改进思路, 研究了一批低摩擦、 高速度、低燃耗的新型交通工具, 下面简要介绍几个：气垫船：气垫船通过向船体下方喷射高速高压空气, 使船体离开地面。 这样, 气垫船在运行时与地面摩擦几乎为零, 因此它行驶速度快, 而且有的气垫船可以 水路两栖行驶,适用范围广。磁悬浮列车： 磁悬浮列车的思

7、路与气垫船类似, 不过它是通过磁场使车体悬 浮于铁轨之上, 以达到“零摩擦”、 高速度的目的。 目前磁悬浮列车的速度可以 达到 500km/h 以上。真空管磁悬浮列车：磁悬浮列车仅仅从“零摩擦阻力”的思路出发来提高速 度,如果能把“零空气阻力”结合起来, 不是就能够实现更高的速度吗？真空管 磁悬浮列车的思路就是这样产生的。 其想法是：把磁悬浮列车及其轨道都用一个 管道完全封闭起来,管道内抽成真空。这样一来,列车运行时既没有摩擦阻力, 也没有空气阻力, 行驶速度可以达到非常高。 据预计, 真空管磁悬浮列车的速度 可以达到 1000km/h 以上。正因为如此,真空管磁悬浮列车备受人们关注,四通 八

8、达的管道, 也成为科幻电影中常见的一景。 不过,目前真空管磁悬浮列车仅处 于起步论证阶段, 讨论它的应用还为时过早。 除了磁悬浮列车的技术难题尚未突 破之外,真空管本身的适用性、 安全性、可行性和经济性等等方面的研究还需要 人们长时间的努力和探索。以上三个例子, 气垫船和磁悬浮列车可以实现与地面的接触, 但是仍然与空 气接触存在与空气的摩擦； 真空管磁悬浮列车由于在真空管中运行可以实现广义 的“零摩擦”,但是如果从微观磁力场考虑,列车与真空管、与地球等等外界物 体之间的相互引力也会存在相互的摩擦。实现真正意义上的“零摩擦”是不可能的，但是随着科学的进步，纳米技术 的诞生，近几年超低摩擦在摩擦学

9、领域中得到蓬勃发展， 超低摩擦集成了量子力 学、量子化学、纳米技术、分子动力学，为现代精密、低能耗、长寿命机械设计 提供了强有力的摩擦学支撑。 随着超低摩擦理论的发展必将想着 “零摩擦” 更加 靠近一步。近几年有一种新的说法： 根据量子理论， 如果将某些固体冷却到接近绝对零 度，它们将变得没有摩擦力，并且能像液体一样流动，同时维持其晶格结构。前 几年有科学家声称证实了超固体 （或称超固态 ） 的存在，处于这种状态下的固体能 毫无摩擦力地流动。 这种超固体下的流动是否是真正意义上的 “零摩擦” ？仍需 考证，同时“超固体”是否真的存在也没有得到完全证实。综上所述，目前的科学技术条件下以及人类对摩

10、擦的理解， 真正意义上的“零 摩擦”还是无法实现的。以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pa