摩擦力的用途科技論文
摩擦力是物體與物體相接觸時,在接觸面上產生一種阻止它們相對滑動的作用力。下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!
篇一
淺議摩擦力的本質
【摘 要】摩擦力可分為幹摩擦力和溼摩擦力,流體間或流體與固體間的摩擦叫做溼摩擦力。幹摩擦力包括靜摩擦力和滑動摩擦力。本文對常見的幹摩擦力與溼摩擦力進行了敘述,描述了他們的基本定義,並對摩擦力的本質進行了簡單分析。
【關鍵詞】幹摩擦力 溼摩擦力 接觸面
一、摩擦力的種類
摩擦力是物體與物體相接觸時,在接觸面上產生一種阻止它們相對滑動的作用力。固體與固體的接觸面上有摩擦,這類摩擦稱為幹摩擦,固體與液體的接觸面或固體與氣體的接觸面上的摩擦,稱為溼摩擦。在幹摩擦中,摩擦力按其性質可分為靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力三種。不同性質的摩擦力,影響其大小的因素亦不相同。
1.幹摩擦力
***1***靜摩擦力
靜摩擦力產生在兩個直接接觸、相對靜止但又有相對運動的趨勢的物體之間。而相對運動趨勢產生的原因是有外力作用,因此,產生靜摩擦力的條件不僅包括接觸面不光滑、有正壓力,還需要有外力作用。靜摩擦力的大小與指向都取決於相對滑動趨勢。靜摩擦力的指向自然與接觸面上相對滑動趨勢的指向相反。靜摩擦力的大小取決於外力大小,在不超出最大靜摩擦力的範圍時,外力越大,靜摩擦力越大。一旦超出最大靜摩擦力的範圍,物體便開始滑動,靜摩擦力轉變為滑動摩擦力。那麼最大靜摩擦力與什麼有關呢?實驗查明,最大靜摩擦力fmax與兩物體之間的正壓力N成正比,與接觸面的面積無關,與接觸面的性質有關。實踐證明fS≤fmax=μSN。
***2***滑動摩擦力
當外力超出最大靜摩擦力的範圍時,物體便開始滑動,摩擦力繼續存在,只是靜摩擦力轉變為滑動摩擦力。物體沿著接觸面相對滑動,接觸面上阻止相對滑動的摩擦力稱為滑動摩擦力。滑動摩擦力的指向自然是與接觸面上相對滑動的指向相反。滑動摩擦力的大小隨相對滑動速度而變,相對滑動速度從零逐漸增大,滑動摩擦力則相應地從最大靜摩擦力fmax=μN逐漸減小。通過實驗驗證在動摩擦因數一定時,滑動摩擦力的大小正比於接觸面上的正壓力N。即:fK=μN,其中μ稱為滑動摩擦因數,滑動摩擦因數反映物體表面的粗糙程度,反過來說就是物體表面的粗糙程度決定了動摩擦因數,而滑動摩擦力是兩個有不光滑接觸,有相對運動的物體間的相互作用,因此動摩擦因數也不是單獨由某一物體表面粗糙程度決定的,而是由兩個有相互作用摩擦力的物體的接觸面粗糙程度決定的。
2.溼摩擦力
物體相對於液體或氣體而運動時,沿著接觸面上也有阻止相對滑動的摩擦力,這種摩擦力稱為溼摩擦力。沒有相對運動也就沒有溼摩擦力,溼摩擦力不存在靜摩擦力,不論多小的力都能推動物體使其在液體或氣體中運動。溼摩擦力的指向自然與物體相對運動速度指向相反。溼摩擦力的大小則隨著相對運動的加快而增大。物體一開始運動,溼摩擦力也就出現。起初,溼摩擦力比較小,隨著物體速度加快,溼摩擦力隨之而增大。最後,物體達到某個速度,其相應的溼摩擦力與所加推動力相等,物體保持這一速度而作勻速運動,這一速度稱為極限速度。如物體的初速度超過極限速度,則溼摩擦力大於所加推動力,運動變慢,最後也是達到極限速度而作勻速運動。極限速度的大小顯然與所加推動力的大小有關。
二、對摩擦力的本質的探究
最早對摩擦進行實驗研究的代表性人物是文藝復興時期的達•芬奇。他對錶面光滑程度不同的物質的摩擦作了比較,提出物體間的摩擦程度取決於物體表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,摩擦力愈大,即固體表面的凹凸程度是產生摩擦的根本原因。這一想法後來逐步被髮展為一種學說——凹凸說。該學說認為,物體表面無論經過何種加工,都必然留下或大或小的凹凸,這種表面凹凸不平的物體相互接觸,就必然產生摩擦。對於摩擦力的另外一種看法是分子說。這是由英國的物理學家德薩古利埃提出的。他認為,摩擦力產生的原因是摩擦面上的分子力相互交錯所致。該學說指出,物體表面愈是光滑,摩擦面愈是相互接近,表面分子力就愈大,這樣摩擦力也就愈大。但是這種學說由於加工技術上的原因,一直沒有得到實驗的證實。進入20世紀以後,一個叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量損失,是因固體表面分子引力場的相互干涉所致,與凹凸程度無關。而另一名著名的學者哈迪,他進行了大量的實驗,從而證明了分子說的正確性。哈迪的實驗為分子說提供了有力的證據,分子說因而獲得了廣泛的承認,並被進一步發展為“粘合說”。但是,凹凸說並沒有因分子說和粘合說的進展而被完全廢棄,它與對立的分子說和粘合說都持之有據,言之有理。有人在這兩者的基礎上提出了包含凹凸說內容的綜合性的現代粘合論。
1.凹凸齧合說
從15世紀至18世紀, 科學家們提出的一種關於摩擦本質的理論,齧合說認為摩擦是由於互相接觸的物體表面粗糙不平產生的。兩個物體接觸擠壓時,接觸面上很多凹凸部分就相互齧合。如果一個物體沿接觸面滑動,兩個接觸面的凸起部分相碰撞,產生斷裂、摩損,就形成了對運動的阻礙。
2.粘附說
最早由英國學者德薩左利厄斯提出,他認為兩個表面拋得很光的金屬,摩擦會增大,可以用兩個物體的表面充分接觸時它們的分子引力將增大來解釋。上世紀以來,隨著 工業和技術的 發展,誕生了新的摩擦粘附論,該理論認為兩個互相接觸的表面,無論做得多麼光滑,從原子尺度看還是粗糙的,有許多微小的凸起,把這樣的兩個表面放在一起,微凸起的頂部發生接觸,微凸起之外的部分接觸面間有10??-8 ?m或更大的間隙。這樣,接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個壓力很小,微凸起的頂部發生彈性形變;如果法向壓力較大,超過某一數值,超過材料的彈性限度,微凸起的頂部便發生塑性形變,被壓成平頂,這時互相接觸的兩個物體之間距離變小到分子引力發生作用的範圍,於是,兩個緊壓著的接觸面上產生了原子性粘合。這時要使兩個彼比接觸的表面發生相對滑動,必須對其中的一個表面施加一個切向力,來克服分子間的引力,剪斷實際接觸區生成的接點,這就產生了摩擦。在 現代摩擦理論中,還加進了靜電作用。光滑表面摩擦過程中可能帶上異號電荷,它們之間的靜電作用,也是摩擦力的一個原因。
參考 文獻:
[1]徐行.力學[M].內蒙古人民出版社,1993.
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[3]李迺伯.物 理學[M].高等教育出版社,1999.
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篇二
汽車行駛時的摩擦力探究
摘 要： 摩擦力是我們日常生活中最常見的力，汽車行駛時所受的摩擦力情況較為複雜，在不同的階段所受的摩擦力可能不同。本文從三種不同情況出發探究汽車在平直公路上正常行駛時、剎車制動時、轉彎時所受到摩擦力的作用，對摩擦力進行了分析。
關鍵詞： 汽車 行駛時 摩擦力 作用分析
摩擦力在日常生活中處處可見，可以說我們的生活離不開摩擦力。在高中物理教學中，學生普遍感覺摩擦力的知識較難，尤其是在運動中分析摩擦力，而汽車在運動中所受的摩擦力情況更為複雜。摩擦力通常阻礙物體的運動，扮演著阻力的角色，但是在汽車運動中，大多數情況下摩擦力作為動力，促進汽車的運動。汽車的四個車輪中，兩個後輪是主動輪或驅動輪，兩個前輪是從動輪或導向輪，在行駛時四個車輪所受的摩擦力和所起的作用是不同的，針對汽車在不同時候所受不同的摩擦力作用，分三種情況進行分析。
一、在平直公路上正常行駛時所受的摩擦力
汽車在平直公路上正常行駛時，可分為啟動、加速、勻速等階段，在這些階段中汽車所受的摩擦力方向都是相同的。那麼，到底受到哪些摩擦力?要弄清這個問題，我們就要正確理解摩擦力的概念。摩擦力通常指產生於相互接觸的有相對運動或相對運動趨勢的兩個物體間，且阻礙物體間的這種相對運動或相對運動趨勢。
對於主動輪，要使車輪與地面之間產生相對運動，必須有力作用在車輪上，汽車的驅動力是由發達機提供的。由於後輪是主動輪，在行駛時，發動機提供的力產生使主動輪沿順時針方向轉動的驅動力矩，力矩的作用效果是使主動輪沿順時針方向轉動，車輪上和地面接觸的點相對於地面有向後運動的趨勢，如果地面絕對光滑，輪子就會在原地打滑，如果地面粗糙，地面對車輪產生了一個阻礙車輪向後滑動的而方向向前的摩擦力，這個摩擦力就是靜摩擦力，靜摩擦力產生一個使主動輪沿逆時針方向轉動的阻力矩，使汽車前進。汽車從開始啟動後，立即做加速運動，發動機的功率逐漸增大，驅動力矩逐漸增大，牽引力也隨著逐漸增大，靜摩擦力相應地也逐漸增大。但是汽車所受的靜摩擦力的最大值是一定的，這個值稱為“最大靜摩擦力”，最大靜摩擦力等於路面對汽車的垂直支撐力與摩擦因數的乘積。當汽車勻速行駛時，驅動力與最大靜摩擦力相等，汽車的輸出功率達到最大值，汽車的運動達到臨界狀態。如果驅動力超過了最大靜摩擦力，車輪與地面之間發生了相對滑動，靜摩擦力將變為滑動摩擦力，由於滑動摩擦力小於最大靜摩擦力，汽車的牽引力反而會減小，不利於汽車的行駛。
對於從動輪，從動輪受到的是被動向前推力的作用，這個力作用在輪子的軸線上，力的作用效果使輪子平動。如果地面絕對光滑，輪子就在地面上滑動，和地面接觸的點相對於地面有向前運動的趨勢，如果地面粗糙，地面阻礙它運動，受到的摩擦力向後，而且力的方向不通過軸心，所以從動輪發生滾動，這個摩擦力是滾動摩擦力。對於什麼是滾動摩擦力，以及滾動摩擦力是怎麼產生的，高中生需要進一步瞭解。滾動摩擦力，即一物體在另一物體表面作無滑動的滾動或有滾動的趨勢時，由於兩物體在接觸部分受壓發生形變而產生的對滾動的阻礙作用，叫“滾動摩擦力”。滾動摩擦力一般用阻力矩來量度，其力的大小與物體的性質、表面的形狀，以及滾動物體的重量有關。滾動摩擦實際上是一種阻礙滾動的力矩，本質還是靜摩擦力，是根據力的作用效果命名的，是靜摩擦力的一種特殊表現。正是由於受到滾動摩擦力的作用，使從動輪被動地向後轉動，汽車整體向前運動。
二、剎車時所受的摩擦力
汽車剎車時，受到地面向後的摩擦力，摩擦力作用位置緊貼地面，相對於汽車的重心有一個力矩，該力矩使汽車向前翻轉，而汽車沒有發生翻轉是因為地面的支撐力對它有一個向後翻轉的力矩，把前者抵消了，結果就是汽車前輪受到的地面支撐力比後輪要大。也就是說，在剎車時，汽車前輪對地面壓力大於後輪。而摩擦力與壓力成正比，所以汽車前輪受到的摩擦力大於後輪，即摩擦力對前輪有更大的“前轉力矩”，所以為了有效制動，前輪剎車必須能夠提供更大的制動力矩。但是，不能只使用前輪剎車，如果只使用前輪剎車，汽車就有很大的慣性，當前輪受到較大的摩擦力時，可能向前或向兩側翻。也不能只使用後輪剎車，如果只使用後輪剎車時，前輪所受的是滾動摩擦力，摩擦力方向向後，後輪所受的卻是滑動摩擦力，方向向後，由於滾動摩擦力明顯小於滑動摩擦力，因此汽車整體所受的摩擦力近似等於滑動摩擦力。最好的制動方式是採用前後輪同時制動，前後輪同時制動時，前後輪受到的摩擦力均為滑動摩擦，方向向後，汽車整體受到的摩擦力為前後輪的滑動摩擦力之和，明顯大於只剎前輪或後輪。
當汽車緊急剎車時，會產生輪胎抱死現象，輪胎抱死時，前後輪所受的是滑動摩擦力，汽車的附著情況會變差，車子穩定性和操控性都不好，這時候摩擦力反而是最小的。輪胎不抱死時，汽車所受的摩擦力也不一定完全就是滾動摩擦力，還要看制動力的大小情況，一般不抱死時，是邊滾邊滑的制動狀態，這時候車輪與地面的摩擦力是最大的。裝配ABS的汽車，就是為了防抱死而達到邊滾邊滑的制動狀態，達到最佳的制動效果。
三、汽車轉彎時所受的摩擦力
汽車轉彎時，如果受到驅動力作用，車輪就會受到地面對它的靜摩擦力，靜摩察力的方向與汽車前進的方向相同，靜摩擦力為汽車沿切線方向前進提供動力。不僅如此，汽車轉彎還需要向心力，每個輪子都要受到一個橫向的靜摩擦力，這個靜摩擦力形成向心力，汽車的內側、外側輪的受力大小是不同的，因此，向心力只是靜摩擦力的一個法向的分力。如果汽車制動，不受驅動力時，汽車沿切線方向將做減速運動，所受的阻力主要自身制動系統提供的阻力和地面的摩擦力。如果地面絕對光滑，汽車與地面之間將產生滑動，但是實際上，地面是粗糙的，汽車的運動是滾動。因此，汽車在減速時，車輪依然向前滾動，地面對汽車會產生切線方向的靜摩擦力。同時，汽車還在轉彎，還會持續受到法向的向心力，向心力還是由靜摩擦力提供的。
由於汽車轉彎時的向心力是由靜摩擦力提供的，這個靜摩擦力並非大小不變的，當物體運動速度v越大，需要的向心力***mv2/r***就越大，此時靜摩擦力就隨之增大，以滿足轉彎時的需要，但靜摩擦力只能增大到最大靜摩擦力，若車速再增大，需要的向心力就比所能提供的最大靜摩擦力還要大，車就會做離心運動了。對這一點，可以參考必修二物理課本，這個最大靜摩擦力的大小由路面性質、車輪性質、車體重力共同決定。
總之，汽車在行駛時的摩擦力比較複雜，並非一成不變的，在不同的時候，不同的情況下，可能不斷變化，靜摩擦力、滑動摩擦力、滾動摩擦力可能同時產生，也可能交替產生。因此，我們要具體情況具體分析，只有掌握了運動狀態，才能進行受力分析，最後確定所受的摩擦力。