滑动摩擦力 摩擦力浅析——世界需要摩擦力

2019-08-21 - 摩擦力

大家好,这篇文章主要介绍摩擦力。内容简单,几乎不涉及公式。

阻碍表面相互接触的物体的相对运动趋势的力叫做摩擦力。摩擦力本质上是电磁力。电磁力是4种基本力中的其中一种力,除了摩擦力以外,弹力也属于电磁力。

滑动摩擦力

摩擦力,通常是用来描述固体表面之间的相互作用。对于固体与流体(液体和气体)之间则用的是阻力来描述,比如空气阻力。不过有时候我们也需要考虑固体和液体之间的摩擦力,比如机械齿轮之间的润滑油。其实流体内部也还存在摩擦力,这个就不详细讨论了。

滑动摩擦力

在宏观世界中,只有电磁力和引力才能显示作用。宏观物体是由数量众多的分子(这里所说的分子,包括原子及离子)构成的集合体,宏观物体间的相互作用,除了引力以外,都是分子与分子之间的电磁相互作用。

滑动摩擦力

摩擦力可分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。其中静摩擦力与其他两种力不同,滑动摩擦力与滚动摩擦力都是耗散的,会降低物体间的相对运动速度,并将机械能转化为热能。

两个物体只要有接触,并有相对运动趋势就存在静摩擦力,当静摩擦力超过一定临界值时,就会变静为动,此时这个值被称之为最大静摩擦力。静摩擦力是有益的,与人类生活密切相关。如果没有静摩擦力,鞋带会系不紧,水杯也拿不稳,钉子将不能固定物体,我们将会寸步难行。

两个相互滑动的物体,不仅与相互接触时施加的压力有关,还与物体表面的粗糙程度有关。通常物体的表面越光滑,相对运动时物体所受到的滑动摩擦力也就越小。

不过也有例外,当有些材料表面变得非常光滑时,滑动摩擦力反而会增大。这是因为,当物体相互接触的表面变光滑了,接触面积也就变大了,物体与物体挨得更紧密,这反而使分子间的引力作用增强,摩擦力也就因此变大了。

世界上并不存在绝对光滑的平面。即使两块磨得非常光滑的金属,从微观角度来看,也是粗糙的。因为物体都是由一个一个的分子粘合而成的,放大了看,物体表面也都是凹凸不平的。

从宏观上来看,摩擦力正是在分子粘附(偏向于光滑的表面)和凹凸啮合(偏向于粗糙的表面)的共同作用下产生的。

在同样的条件下,滚动摩擦力要比滑动摩擦力小很多,正是因为这个原因,汽车的轮子都做成圆形的。当然圆形的轮子还在于其能够保持稳定性。在古埃及建造金字塔的那个时候,还没有现代化的设备,他们就是利用滚木来搬运上吨重的岩石的。可见古人很早就知道滚动相比滑动来说更省力,只是还不知道其背后的真正原因。

一些书上说,当物体滚动时,物体的接触面一直在变化,物体所受到的摩擦力实际上是静摩擦力。实际上滚动摩擦力和静摩擦力还是有区别的。

在相同的条件下,不同的材料,具有不同的摩擦系数。除了接触面的材料不同以外,一般来说,物体越坚硬,表面越粗糙,相互接触时的压力越大,摩擦力也就越大。从客观上考虑,摩擦力还与物体接触面积的大小有一点关系。摩擦力的大小与接触面相对运动的快慢无关。

其实,物体与物体之间并不存在真正的接触。当你握住心爱人的手时,大脑告诉你,你的手接触到了他的手。事实上你真的接触到了他吗?答案是并没有。原因在于分子与分子之间存在斥力和引力,看似密不透风的墙,实际上都是由分子在电磁力的作用下形成的。物体间的相互接触,从微观角度来看,实际上就是分子间发生了相互作用。

摩擦力有友好的一面,也有不好的一面。要看具体的应用场景,是需要增大摩擦力,还是减小摩擦力。比如,各种机械设备就需要添加润滑油来减少磨损;而人的鞋子或者轮胎就需要增大摩擦力,为此我们还专门设计了各种样式的纹路;我们刹车时用到的就是摩擦力。

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