摩擦力的研究论文

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【摘要】在日常生活中，人们对摩擦这种现象并不陌生。由于摩擦力与人的生活息息相关，所以有关摩擦力的研究和探索也一直在进行着。文章对常见的干摩擦与湿摩擦进行了叙述，描述了他们的基本定义。

【关键词】干摩擦；湿摩擦；接触面；高端

摩擦力是物体与物体相接触时，在接触面上产生一种阻止它们相对滑动的作用力。摩擦是一种极为普遍的力学现象，在人类生活、生产中无处不在。不仅固体与固体的接触面上有摩擦（这类摩擦称为干摩擦），就连固体与液体的接触面或固体与气体的接触面上都有摩擦（这两类摩擦称为湿摩擦）。在干摩擦中，摩擦力按其性质可分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力三种。不同性质的摩擦力，影响其大小的因素亦不相同。

一、干摩擦力

（一）静摩擦力

只要两物体之间存在着相对滑动趋势，就会出现摩擦力。如果滑动趋势不太强，则由于摩擦力的作用，相对滑动不致真正实现，这时的摩擦力称为静摩擦力fS。可见静摩擦力产生的原因是因为物体间有相对运动的趋势。而相对运动趋势产生的原因是有外力作用，因此，产生静摩擦力的条件不仅包括接触面不光滑、有正压力，还需要有外力作用。静摩擦力的大小与指向都取决于相对滑动趋势。既然摩擦力是阻止相对滑动的作用力，静摩擦力的指向自然与接触面上相对滑动趋势的指向相反。两物体都受静摩擦力的作用，其指向分别与各该物体在接触面上的相对滑动趋势的指向相反。静摩擦力的大小也取决于相对滑动趋势，没有相对滑动趋势，就没有静摩擦力，即摩擦力大小为零；一有相对滑动趋势，静摩擦力也随之出现。在一定条件下，物体之间相对滑动趋势一定，静摩擦力就具有与之相应的一定的大小，这一大小应当恰恰足以抵消相对滑动趋势，使相对滑动不致真正发生。因此，在具体问题中，静摩擦力的大小往往不能预先知道，需要根据“物体之间并不真正发生相对滑动”这一条件从动力学的运动方程计算出来。情况一旦变了，物体之间的相对滑动趋势变了，静摩擦力的大小也就随之自动调节，使相对滑动总是不能真的发生。但是静摩擦力的自动调节并不能无限度地进行，其最大限度称为最大静摩擦力。在不超出最大静摩擦力的范围时，外力越大，静摩擦力越大。一旦超出最大静摩擦力的范围，物体便开始滑动，静摩擦力转变为滑动摩擦力。那么最大静摩擦力与什么有关呢？实验查明，最大静摩擦力fmax与两物体之间的正压力N成正比，与接触面的面积无关，与接触面的性质有关（如接触面的材料、接触面的粗糙程度等）。即fmax=μSN，其中μS称为静摩擦因数，它取决于接触面的材料与接触面的表面状态等。实践证明fS≤fmax=μSN。

（二）滑动摩擦力

当外力超出最大静摩擦力的范围时，物体便开始滑动，摩擦力继续存在，只是静摩擦力转变为滑动摩擦力。物体沿着接触面相对滑动，接触面上阻止相对滑动的摩擦力称为滑动摩擦力。滑动摩擦力的指向自然是与接触面上相对滑动的指向相反。滑动摩擦力的大小随相对滑动速度而变，相对滑动速度从零逐渐增大，滑动摩擦力则相应地从最大静摩擦力fmax=μN逐渐减小。通常说滑动摩擦小于静摩擦，将静止着的物体推动比较费劲，既以推动之后维持匀速运动则较省力，就是指此而言。但相对滑动速度过分大的时候，滑动摩擦力又急剧增大。我们可以采取控制变量法，通过实验准确验证在动摩擦因数一定时，滑动摩擦力的大小正比于接触面上的正压力N。但因为动摩擦因数较难控制，只粗略验证了在正压力一定时，滑动摩擦力与动摩擦力系数成正比这一结论。由此，可得出公式：fK＝μN，其中μ称为滑动摩擦因数，它取决于接触面的材料与接触面的表面状态及相对滑动速度（如图所示）等。

在一些特殊情况下（例如材料的硬度保持一定，接触面经过一定加工等等），滑动摩擦

力几乎不随运动速度而变，并且差不多就等于最大静摩擦力，即μ=常数≈μS当外力等于动摩擦力时，物体受力还是平衡的，要使物体运动，就必须增大外力。

二、湿摩擦力

物体相对于液体或气体（称为流体）而运动时，沿着接触面上也有阻止相对滑动的摩擦力，这种摩擦力称为湿摩擦。物体浸没于液体或气体中，运动时除了受到湿摩擦力外，同时还有另一种效应，即在接触面上，物体受到液体或气体的压力，这压力的指向垂直于接触面，而且迎面所受压力大于背面所受压力，因而物体所受压力的总效果也是阻止物体的相对运动。由此而引起的阻力称为介质阻力，并且一般来说，介质阻力远远大于湿摩擦力。介质阻力和湿摩擦力的本质完全不同，但在物体相对于液体或气体的运动中，它们起着同样的作用。一般就将介质阻力归到湿摩擦力中，不去追究它们的本质。湿摩擦力不同于干摩擦力，没有相对运动也就没有湿摩擦力。所以对于湿摩擦现象，谈不上静摩擦力。既然不存在静摩擦，不论多小的力都能推动物体使其在液体或气体中运动。在干摩擦的情况下，小于最大静摩擦力的力根本不能推动物体。可以用竹竿撑船使船前进，却从来没看见过用竹竿撑汽车使汽车前进，就是这个道理。

一旦发生相对运动，湿摩擦力也随之出现。湿摩擦力的指向自然与物体相对运动速度指向相反。至于湿摩擦力的大小则随着相对运动的加快而增大。当相对运动比较慢的时候，湿摩擦力的大小大致与速度成正比；当相对运动比较快的时候，湿摩擦力大致与速度的平方成正比。

物体浸于液体或气体中，如以一定大小的力去推物体，由于不存在静摩擦，物体将逐渐动起来。物体一开始运动，湿摩擦力也就出现。起初，湿摩擦力比较小，还小于所加推力，物体仍然继续加速。物体速度加快，湿摩擦力随之而增大。最后，物体达到某个速度，其相应的湿摩擦力与所加推动力相等，物体保持这一速度而作匀速运动，这一速度称为极限速度。如物体的初速度超过极限速度，则湿摩擦力大于所加推动力，运动变慢，最后也是达到极限速度而作匀速运动。极限速度的大小显然与所加推动力的大小有关。在力学中湿摩擦力一般不去分析与研究，主要考虑的是干摩擦力。

三、摩擦力带来的影响

推桌子时,如果没有推动,则桌子有一个向右的运动趋势,同时桌子会受到一个向左的静摩擦力的作用,阻碍它的这种运动趋势，使桌子处于相对静止状态。传递带把货物往上运的过程中,如果没有摩擦,则货物要沿斜面下滑,所以物体有沿斜面下滑的趋势,所以传送带给了货物一个沿斜面向上的静摩擦力的作用,以阻碍货物向下滑的运动趋势。

假如没有摩擦力,我们就不能走路了。因为既站不稳,也无法行走。比如在冰上步行,由于冰滑,走不多远就累得满头大汗。如果没有摩擦力的话,道路比冰还滑,那时人们只有伏倒在地上才会觉得好受些。假如没有摩擦力,螺钉就不能旋紧,钉在墙上的钉子就会自动松开而落下来。根据万有引力定律得知，一切物体就会在万有引力的作用下，全部聚集在了一起。家里的桌子,椅子都要聚在一起。给一点推力就都会散开来,并且会在地上滑过来,滑过去,根本无法使用。。。

如果没有摩擦和介质阻力,物体只发生动能和势能的相互转化时,机械能的总量保持不变。这就是摩擦力带来的影响。总之，影响摩擦力大小的因素是固定的，较少的，但其表现形式却十分多样化、复杂化、只有充分了解、控制这些因素，才能充分利用有益摩擦，避免有害摩擦，最大程度地改进生产，改善生活。

四、高端物理学中对摩擦力的产生的解释

至到今天，人们对摩擦力的本质认识得不是十分清楚。最早对摩擦进行实验研究的代表性人物是文艺复兴时期的达·芬奇。他对表面光滑程度不同的物质的摩擦作了比较，提出物体间的摩擦程度取决于物体表面粗糙程度的大小，表面愈粗糙，摩擦力愈大，即固体表面的凹凸程度是产生摩擦的根本原因。这一想法后来逐步被发展为一种学说——凹凸说。该学说认为：物体表面无论经过何种加工，都必然留下或大或小的凹凸，这种表面凹凸不平的物体相互接触，就必然产生摩擦。有人对此做过这样一个比喻：固体表面的接触，犹如把一列山脉翻过来盖在另一列山脉上一样。由于它们的相互咬合，所以只有把凸部破坏掉，才能使之滑动，这便是产生阻碍相对运动的摩擦力的基本原理。这种学说在很长一段时间里，受到许多人的支持。

对于摩擦力的另外一种看法是分子说。这是由英国的物理学家德萨古利埃提出的。他认为，摩擦力产生的原因是摩擦面上的分子力相互交错所致。该学说指出，物体表面愈是光滑，摩擦面愈是相互接近，表面分子力就愈大，这样摩擦力也就愈大。但是这种学说由于加工技术上的原因，一直没有得到实验的证实，因而入们对此很难接受。

进入20世纪以后，分子说逐渐得到很多人的支持。一个叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量损失，是因固体表面分子引力场的相互干涉所致，与凹凸程度无关。而另一名著名的学者哈迪，他进行了大量的实验，从而证明了分子说的正确性。他首先把两个物体表面研磨得极光滑，然后来做摩擦实验，结果发现，两物体磨得越光滑，它们之间的摩擦力就越少，但是这种光滑水平达到一定程度时，摩擦力反而有所增加，甚至两个光滑的金属面能“粘”在一起。而这正好证实了分子说的观点：当两个表面的分子互相进入彼此的分子间的引力圈时，两者间就能产生强烈的粘合作用，并以摩擦力的形式显示出来。哈迪的实验为分子说提供了有力的证据，分子说因而获得了广泛的承认，并被进一步发展为“粘合说”。但是，凹凸说并没有因分子说和粘合说的进展而被完全废弃，它与对立的分子说和粘合说都持之有据，言之有理。有人在这两者的基础上提出了包含凹凸说内容的综合性的现代粘合论。

（一）凹凸啮合说

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。

（二）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，无论做得多么光滑，从原子尺度看还是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个表面放在一起，微凸起的顶部发生接触，微凸起之外的部分接触面间有10-8m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。如果这个压力很小，微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过某一数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的弹性限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，被压成平顶，这时互相接触的两个物体之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的范围，于是，两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合。这时要使两个彼比接触的表面发生相对滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力，来克服分子（原子）间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦。在现代摩擦理论中，还加进了静电作用。光滑表面摩擦过程中可能带上异号电荷，它们之间的静电作用，也是摩擦力的一个原因。

综上所述，摩擦现象的机理是复杂的，是必须在分子尺度内才能加以说明的。由于分子力的电磁本性，摩擦力说到底也是由于电磁相互作用引起的。

上述理论，已经否定了“物体表面越光滑，摩擦力越小”的说法。在非常平滑的物体表面之间，摩擦力是存在的。在教学中经常使用“表面光滑”，其含义是指无摩擦或摩擦因数等于零的表面，即没有摩擦力。这是教学中的一种约定，而并非真的是说两个表面光滑。在平玻璃板上推木块很容易，而在平玻璃板上推与木块相同质量的玻璃时就不容易了，这说明摩擦力增大了。

【参考文献】

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