摩擦力之謎

2020-12-14 宇宙新思維

摩擦力種類

在日常生活中我們所遇到的眾多力中間要數摩擦力最為複雜,它包括滑動摩擦、滾動摩擦、靜摩擦、動摩擦等等。

滑動摩擦應該是摩擦力中最簡單的,它等於正壓力N乘上滑動摩擦係數μ,即f=μN。這個滑動摩擦係數也是很複雜的,它每兩種材料接觸會產生一個摩擦係數,所以滑動摩擦係數往往不是查表得到,而是根據實驗數據給定。

滾動摩擦相對就要複雜一些,就以軸承來說,就有許多型式,像滾珠(球)軸承、滾子軸承、滾針軸承等等,不同類型的軸承,

它的滾動摩擦係數是不一樣的。

靜摩擦和動摩擦也能相差很多,當推一個箱子時,箱子和地面產生靜摩擦,它的摩擦力在逐漸增大,達到一定值時,箱子被推動了。

但是一旦箱子被推動以後,它的動摩擦力就小得多,因此推起來就省勁得多。

實踐中利用和克服摩擦力

在實際生活中,這些摩擦力是混在一起的。需要區別對待,認真分析。比如一列火車在出發前為什麼要往後退一下?那是因為如果列車不往後退一下,那麼每節車廂之間都是緊緊拉著,整個一列火車如同一個整體(成一個鋼體),那樣要起動所要克服的靜摩擦力將會是很大的。相反列車倒退一下,各車廂之間鬆動了,這次只需要克服第一節車廂的靜摩擦力,那就小得多,很容易拉動。等拉動以後只需克服第二節車廂的靜摩擦力,以此類推,拉動第三節、第四節……。這個例子就是利用靜摩擦力的特點。

另有一個例子在自行車加緊行進時,地面作用在前輪和後輪的摩擦力是不一樣的。對於後輪摩擦力是向前的。這樣後輪作為主動輪就有一個向前的趨勢,相反對於前輪,是從動輪,摩擦力是向後的。

這個例子又很好地說明了對摩擦力要揚長避短。

摩擦力的機理

至於摩擦力的機理,那更是眾說紛紜了,較早的的論點是表面越粗糙,摩擦力越大;表面越光滑,摩擦力越小。但是後來發現這種論點並不正確,當兩個接觸表面非常光滑時,非但不是摩擦力減小,相反兩個物體卻粘住了。這種例子很多。比如在製作光學器件時,往往把兩塊光學鏡片直接接觸而形成一個整體,在光學工藝上稱作「光膠」,實際上沒有使用任何膠,而是利用接觸面本身的光潔。另一個例子是一種新的工藝,叫「摩擦焊」。當兩種不同的材料,比如鋁和不鏽鋼,由於材質不同、熱膨脹係數不同,很難用釺焊和氬弧焊來焊接。這時可採用摩擦焊的方法,把兩種材料通過摩擦使它們形成分子間的接觸,從而由於分子的引力使兩種材料緊密結合起來,等於牢牢的焊接了起來。還有一個例子就是「冷焊」,所謂冷焊就是利用機械力、分子力或電力使得焊材擴散到器具表面的一種工藝。其中利用分子力的這種冷焊是最理想化的冷焊,它需處於超高真空清潔的環境中,且要求絕對平整光滑的兩個接觸面。何謂「絕對平整光滑」?即表面粗糙度Ra在納米(10^-9米)到皮米(10^-12米)以下的。目前最光滑的表面粗糙度僅達到10^-7米,還差兩個數量級,如果達到絕對光滑平整,兩個接觸面會牢牢地粘接在一起,因為它們已經達到分子作用力(範德華力)的作用距離了。

它的負效應,比如常發生在太空的超高真空環境中,太空飛行器運動部件的表面處於原子清潔狀態、無汙染,使接觸面原子鍵結合造成的粘接和活動面過度摩擦造成凸點處局部焊接,導致金屬撕落轉移,並進一步使接觸面粗糙度增加。伽利略木星探測器上就曾發生過冷焊現象。

總之,目前的看法是:兩個物體如果表面光滑,可以減小它們之間的摩擦力。但是當表面十分光滑時,兩個表面的分子進入分子間的引力圈,那時摩擦力反而增加,從而牢牢地連接起來。

這種看法是否正確,還有待於實踐進一步證實。隨著對物質微觀的探索,對於摩擦力的機理是否還會有新的啟迪?

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