摩擦_物理学名词 - 线报百科mbji.cn

摩擦

物理学名词

当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力，这种力叫摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦”。摩擦有利也有害，但在多数情况下是不利的。

概念

当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力，这种力叫摩擦力。接触面之间的这种现象或特性叫“摩擦”。摩擦有利也有害，但在多数情况下是不利的，例如，机器运转时的摩擦，造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短，并降低了机械效率。因此常用各种方法减少摩擦，如在机器中加润滑油等。但摩擦又是不可缺少的，例如，人的行走，汽车的行驶都必须依靠地面与脚和车轮的摩擦。在泥泞的道路上，因摩擦太小走路就很困难，且易滑倒，汽车的车轮也会出现空转，即车轮转动而车厢并不前进。所以，在某些情况下又必须设法增大摩擦，如在太滑的路上撒上一些炉灰或沙土，车轮上加挂防滑链等。

认识过程

人类对摩擦的认识已有悠久的历史。史前人类就已认识到摩擦的两个方面：钻木取火，即利用摩擦生热；在重物运输中采用润滑剂减小阻力。大约在五千年前就已发明了轮子，这说明当时已经知道，为了克服摩擦，滚动优于滑动。15世纪中叶，达·芬奇巳经发现摩擦力F与载荷N成正比，他在当时的实验条件下得出了不精确的结论：对任何材料，比例系数均为I/4，即F=N/4a对摩擦的动力学研究只是在咖利略发现惯性原理，特别是在I.牛顿发表运动三定律（见牛顿运动定律）以后才有可能。G.阿蒙通和C.-A.de库仑在大量实验的基础上，1699年和1781年提出如下的摩擦定律：

①互相接触的两个物体间的摩擦力，不超过某一最大值，这个最大值与接触面积的大小无关。

②摩擦力的最大值和两个物体之间的法向压力N成正比。

③摩擦力的方向与物体相对滑动的方向相反，大小与两个物体之间的法向压力N成正比。

上述结论只是粗略的经验规则，但因发现在力学科学的早期，当时就称为摩擦定律，又称库仑定律。

种类

摩擦的类别很多，按摩擦副的运动形式摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦，前者是两相互接触物体有相对滑动或有相对滑动趋势时的摩擦，后者是两相互接触物体有相对滚动或有相对滚动趋势时的摩擦；而这两种摩擦在计算时须保证的条件是：物体状态是静止或匀速直线运动，这时摩擦力等于物体所受阻力。在相同条件下，滚动摩擦小于滑动摩擦。

按摩擦表面的润滑状态，摩擦可分为干摩擦、边界摩擦和流体摩擦（见图）。

摩擦又可分为外摩擦和内摩擦。外摩擦是指两物体表面作相对运动时的摩擦；内摩擦是指物体内部分子间的摩擦。干摩擦和边界摩擦属外摩擦，流体摩擦属内摩擦。

干摩擦　摩擦副表面直接接触，没有润滑剂存在时的摩擦。常用库仑摩擦定律表达摩擦表面间的滑动摩擦力F、法向力N和摩擦系数f间的关系：f=F/N。钢对钢的f值在大气中约为 0.15～0.20，洁净表面可达0.7～0.8。根据英国的F.P.鲍登等人的研究，极为洁净的金属（表面上的气体用加热、电子轰击等方法排除）在高真空度的实验条件下，表面接触处被咬死，f值可高达100。这种极为洁净的金属表面一旦与大气相接触便立即被污染或氧化，从而使f值显著下降。

静摩擦的测定方法有倾斜法和牵引法。①倾斜法：把重力为N的欲测物体放在对偶材料的斜面上，逐渐增加斜面的倾角，测得物体开始滑动时的倾角 θ(摩擦角)，由此求得摩擦系数f=tgθ。②牵引法：把重力为N 的欲测物体放在对偶材料的平面上，以力P牵引，物体开始滑动时的力F就是最大的静摩擦力（此时F=P），由此求得摩擦系数f=F/N。动摩擦可在各类型试验机上（如往复式摩擦磨损试验机、旋转圆盘-销式摩擦磨损试验机和四球式摩擦试验机）测定，为此在试验机上装设测定摩擦力或摩擦力矩的机构，先测出摩擦力，而后换算出摩擦系数。常见的测量方法有杠杆法、弹簧法和电测法等。测定时需要确保清洁，否则会影响所测的摩擦力。

边界摩擦和流体摩擦　边界润滑状态下的摩擦称为边界摩擦。边界摩擦系数低于干摩擦系数。边界摩擦状态下的摩擦系数只取决于摩擦界面的性质和边界膜的结构形式，而与润滑剂的粘度无关。流体润滑状态下的摩擦称为流体摩擦。这种摩擦是流体粘性引起的。其摩擦系数较干摩擦和边界摩擦为低（见润滑）。

形式

摩擦又分为静态摩擦和动态摩擦，其中又含有，干摩擦和湿摩擦，静电摩擦等……

针对于纺织的摩擦形式来说，通常将试样分两种摩擦，一个是根据标准在规定的环境中进行预处理将试样用干、湿摩擦布或毛刷摩擦后，用灰色样卡评定摩擦布或试样的沾色或变色情况，适用于印染纺织品耐干、湿摩擦及刷洗摩擦色牢度试验。配合使用的仪器是LFY-304纺织品耐摩擦色牢度仪。

作用

好处

1．增加阻力：汽车轮胎的花纹等

2．发光生热，钻木取火就是摩擦的一种利用，像玻璃棒和丝绸的摩擦使电子发生转移等

3．摩擦接合，在我们所用的离合器中有个是摩擦片式的，他起到一种摩擦接合的作用，这种接合方式是非刚性的，可以避免一些危害（具体可查相关书籍，推荐汽车离合器）。

坏处

1．不必要的摩擦，在我们汽车上，当发动机作为动力源带动车轮旋转时，这时候传动齿轮间的摩擦就是一种害处。

2．增加磨损，在我们的日常的生产中，经常会遇到类似于由于磨损而导致的零件的报废，这时候的摩擦就是一种损害元件的因素，应尽量避免。

应用

如何减少摩擦

在地板上推动重物时，希望摩擦力小些，於是地上洒油、滑石粉或铺上滚木、装上车轮等均可达到某种程度之助力。

滚珠轴承

轮子发明之初，其滚动是绕著轮轴而转，它和地面之间虽为滚动摩擦，但和轴之间仍为滑动摩擦。时到今日，则均改良成为轮与轴之间装上滚珠轴承，并且涂上油脂，大大的降低了摩擦对运动的影响。

气垫法

实验室中将桌面打很多小孔，小孔连接到鼓风机，於是孔中喷出的强气柱可将桌面之运动体浮起来，所以运动体所受的摩擦力就只有空气而已，此时之摩擦力比原先小了很多。

气垫船及最先进之磁浮列车都是藉著气垫以减少摩擦的应用实例，但后者之浮起系靠著磁力的作用。

摩擦的用途

摩擦力不全然是阻碍物体运动的进行。在有些情况下，摩擦力是用於推动物体运动所需的力，

◎ 我们走路时，鞋底对地面向后施力，因摩擦而产生向前的作用力，因此得以行走。如果改在冰面上步行时，则因摩擦力过小而难於走动。◎ 手以大小不变之握力握住圆柱形空玻璃杯，使杯口保持水平向上并逐渐将开水注入。若杯子始终呈静止，则手之握力、变化的杯重、与摩擦力间有何关系？试详述其理由。

拿筷子挟卤蛋，筷子之表面必须稍微粗糙不宜太光滑，才能靠摩擦力帮忙把卤蛋送入口中；磨刀石与刀子间适当的摩擦力才能使刀子磨得又快又亮。

◎ 汽车也是利用轮胎与地面之间的摩擦力而得以行进。当汽车的引擎运转时，带动轮子转动，轮子和地面的接触点对地面向后施力，因此轮子获得一向前的摩擦力，推动汽车前进。

◎ 有许多机械的设计也都利用摩擦来传递动力，例如汽车内的飞轮是利用皮带和轮槽间的摩擦来传动，用於驱动风扇、发电机等。为避免打滑，这些皮带的内面还铸成齿状，以增强摩擦。

流体的摩擦

1．和流体的性质有关，例如物体在水中时的摩擦力就比在空气中时为大；

2．和固体摩擦力不同的是：流体摩擦力与物体在流体中的运动速度与接触面积的大小有关。物体的速度愈大，或接触面积愈大，则所受到的流体摩擦力就愈大。

3．机车、汽车、火车、飞机等在高速行驶时，空气之摩擦力或空气阻力就变得很重要，其克服的方法为将运动体作流线型化的设计。可是要使其能安全刹车停止，就又必须依靠摩擦性质作出妥善的刹车设计。

刹车系统

大家都可能注意到火车或游览车、货车等较重车辆刹车停止时，都会发出巨大类似叹气之响声。这一响声是来自动力刹车系统，於刹车完成后释放压缩空气所造成。

动力刹车系统有真空动力刹车系统与压缩空气动力刹车系统两种，它们都能造成巨大压力，并将其传递到轮子之刹车鼓(或刹车碟)的接触面积上。因为压力强度越大正向接触力就越大，此接触方便产生强大的摩擦力，终使车轮能于短时间内停止滚动，而改以滑动摩擦的方式来阻止车子之前进。

如何防止刹车失灵

摩擦会生热，虽然设计上及材料上都考虑了散热效果，但在紧急刹车或下坡路段长时间连续使用刹车时，温度的升高仍然经常造成刹车失灵现象，为维持刹车之正常运作，有些车辆装有喷水设施来降温，而有经验的驾驶在紧急刹车时都会采用连踩数脚的刹车动作来防止。

许多车辆均加装ABS(Anti-skid braking system) 防滑刹车系统，由电子化电路系统来代替人类之反应能力，使行车之安全获得很大的保障。

ABS ( Anti-skid braking system )

ABS刹车系统是「防止刹车锁死」的电脑系统装置，当驾驶人用力踩刹车时，ABS系统会在短时间内做「解除刹车、再刹车」等连续动作。因为，刹车锁死后汽车轮胎即打滑，车轮打滑后驾驶人易因无法控制车行方向而出意外；ABS亮灯则表示出现异常状况。

固体表面之间的摩擦力

固体表面之间的摩擦力的来因有两个：固体表面的分子之间相互的吸引力（胶力）和它们之间的表面粗糙所造成的互相之间的卡住。滑动摩擦力

F = μ*Fn

滑动摩擦力总是比最大静摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的压力Fn和滑动摩擦系数μ决定，它与滑动面之间的相对速度和面积无关。摩擦系数由滑动面的物质、粗糙度和（可能存在的）润滑剂所决定。

滚动摩擦力

假如一个物体在一个平面上滚动的话，那么它会受到滚动摩擦。假如滚动的物体与平面之间的摩擦力等于施加于该物体上的其它所有力的合力的话，那么它的运动是一个纯的滚动运动，其中没有滑动的部分。滚动摩擦力，是物体滚动时，接触面一直在变化着，物体所受的摩擦力。它实质上是静摩擦力。接触面愈软，形状变化愈大，则滚动摩擦力就愈大。一般情况下，物体之间的滚动摩擦力远小于滑动摩擦力。在交通运输以及机械制造工业上广泛应用滚动轴承，就是为了减少摩擦力。例如，火车的主动轮的摩擦力是推动火车前进的动力。而被动轮所受之静摩擦则是阻碍火车前进的滚动摩擦力。

滚压摩擦力

假如滚动运动和滑动运动同时存在，那么这种混合摩擦也被称为滚压摩擦。

转动摩擦力

一个球沿其垂直于一个平面的轴转动时所产生的摩擦力被称为转动摩擦，它与转动运动的力矩T有关：

N=frac{T}{F_N}incm

润滑

在工程技术中人们往往通过施加润滑剂的方法来减少摩擦，研究这个问题的科学称为摩擦学，它是机械制造的一个分科学固体摩擦。

工程中的摩擦力分析

两个固体面互相摩擦。假如两个固体面的材料选择不当或它们之间相互施加的压力非常大的话，那么固体摩擦就会造成磨损。在不使用润滑剂或润滑剂失效的情况下会造成固体摩擦。

混合摩擦

在润滑剂不够或运动的开始会出现混合摩擦。这时摩擦面部分地区会直接接触。混合摩擦造成的磨损比固体摩擦要小。在长时间运行的状态下应该避免混合摩擦，但往往在技术工程中混合摩擦被容忍。

液体摩擦

假如两个运动面之间有一层完整的润滑剂的话，那么它们之间的摩擦是液体摩擦，两个运动面不直接接触。虽然如此通过运动面与润滑剂的分子之间的摩擦依然会有很小的磨损。

内部摩擦

内部摩擦是物质内部的原子或分子相互运动所造成的能量损失。由于外部力作用所造成的不同部位的粒子的加速度的不同可以造成（比如液体）内部的相对运动。内部摩擦的大小与物质的粘性有关。不象固体表面的摩擦那样含糊，内部摩擦可以通过统计力学的方式相当精确地计算出来。在力学中一般人们在计算时尽量省略摩擦所造成的损失，在流体力学中内部摩擦是理论中的一个内在部分，它可以由奈维尔-史托克斯方程式来计算。

流变学是研究复杂的流体（比如悬浮液或高分子化合物）的学科。在这些液体中的内部摩擦非常复杂，线性的奈维尔-史托克斯方程式不能用来描写它了。

摩擦本质

1.凹凸啮合说。是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦本质的理论，啮合说认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生的。两个物体接触挤压时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合。如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相碰撞，产生断裂、摩损，就形成了对运动的阻碍。

2.粘附说。这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论。最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出，他认为两个表面抛得很光的金属，摩擦会增大，可以用两个物体的表面充分接触时它们的分子引力将增大来解释。

上世纪以来，随着工业和技术的发展，对摩擦理论的研究进一步深入，到上世纪中期，诞生了新的摩擦粘附论。新的摩擦粘附论认为，两个互相接触的表面，无论做得多光滑，但从原子尺度看还是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个表面叠放在一起，微凸起的顶部就发生接触，微凸起之外的部分接触面间有10微米到8微米或更大的间隙。这样，接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力。

人们通过不断实验和分析计算，发现上述两种理论提出的机理都能产生摩擦，其中粘附理论提出的机理比啮合理论更普遍。但在不同的材料上，两种机理的表现有所偏向：对金属材料，产生的摩擦以粘附作用为主，而对木材，产生的摩擦以啮合作用为主。实际上，关于摩擦力的本质，目前尚未有定论，仍在深入探讨之中。