所谓摩擦力,是指物体间相互移动或相互滚动所产生的一种阻力。事实上,只有在忽略摩擦力的情况下人们才能引出第一章力学中的基本定律。虽然如此,但摩擦力的存在是世界公认的事实。如果没有摩擦力,鞋带无法系紧,螺丝钉和钉子无法固定物体,汽车一旦开动也无法停止。总之,如果没有摩擦力,静止状态就将消失,上面讲的力的基本定律也就不复存在了。我们不得不承认,尽管摩擦力也有令人讨厌的时候,但仍然要庆幸有摩擦力的存在。
如果要给摩擦一个完整的定义,可以这样说:两个互相接触的物体,当它们要发生或已经发生相对运动时,就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力,这种现象叫摩擦,这种力就叫摩擦力。摩擦力因两个物体之间的接触形式不同而有所不同。基本上可以分为以下三种。
1.滑动摩擦
一个物体在另一个物体表面上滑动时产生摩擦,此时摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。影响滑动摩擦力大小的因素有压力的大小和接触面的粗糙程度。在接触面的粗糙程度相同时,压力越大,摩擦力越大;在压力大小相同时,接触面越粗糙,滑动摩擦力越大。
滑动摩擦可以产生人们需要的反作用力。例如:刷子刷地板,污垢去除。
温馨提示 :在此特别要指出的是,摩擦力一定是至少两个相互接触的物体之间发生移动或移动趋势时才产生的作用力,它是一个不能脱离物体而无处不在的自然力。
2.静摩擦
滑而没动,就是静摩擦。人走路,鞋子和地面产生的是静摩擦。斜面上放了一个方块,这个方块没有滑下去,为什么呢?因为有个摩擦力与导致它下滑的力抗衡,实现了平衡,这也是静摩擦。如果这个斜面的表面很光滑,这个摩擦力就很小了,就不能与导致下滑的力抗衡了,这时候就产生了滑动摩擦。
也可用一个通俗的说法去理解静摩擦。可理解为与其他力抗衡从而使物体保持静止的力就叫静摩擦力。比方一个大箱子放在地上,你用手去推,箱子不动,就是因为有静摩擦力,你推箱子用的力量是多大,静摩擦力就是多大,直到你的力量足够大,箱子动了,静摩擦力就不存在了,就变成滑动摩擦力了。
总之,静摩擦指的是相对静止时产生的摩擦。当一个物体相对于另一个物体来说,有相对运动趋势,但还没有发生相对运动时产生的摩擦,将随推力的增大而增大,但不是无限增大,当推力增大到超过最大静摩擦力时,物体就会运动起来。从静止状态变为运动状态的过程,是克服静摩擦力的过程。在这种情况下不能用最大静滑动摩擦力公式 F max = μF 计算摩擦力,只能用平衡条件来计算。当物体从静止将要开始运动的瞬间摩擦力最大,称为最大静摩擦力。其最大静摩擦力根据公式 F max = μF 计算。其中 F 为正压力, μ 为摩擦因数,可在有关工程手册中查到。
知识加油站:库仑摩擦定律
物体之间因接触和滑动产生的阻尼力有着十分复杂的机理。在没有液体润滑情况下的滑动摩擦称为干摩擦。1781年法国物理学家库仑(图2-1)通过对干摩擦的物理实验总结出著名的库仑摩擦定律。可叙述为:物体之间保持静止接触的最大静摩擦力 F max 与相互作用的正压力 F N 成正比,其公式为
图2-1 库仑
F max = μ s F N
其中的比例系数 μ s 与物体接触的表面状况有关,称为静摩擦因数。库仑摩擦定律很容易被实验证实。在地板上拖动一只箱子,箱子越重摩擦力就越大,也就越难拖动。
当物体之间有相对滑动时,所产生的动摩擦力 F d 也能用库仑定律描述为
F d = μF N
公式中的系数 μ 称为动摩擦因数。一般情况下,动摩擦因数要小些,如图2-2a所示。 μ < μ s 也容易理解,箱子一旦被拖动,用的力就比拖动前要小些。对于动摩擦情形,如果以滑动速度为横坐标,动摩擦力 F d 为纵坐标,可做出 F d 的函数,如图2-2b所示。
图2-2 库仑动摩擦力的变化规律图
验证摩擦力计算公式 F = μF N 的例子。 F N 为正压力,与摩擦力大小成正比,如用实例证明,生活中的实例就有很多了。比如手握棍子或者提着拖把,手对棍子或拖把施加的握力越大,棍子或拖把越难从手中抽出,表明握力增大,手与棍子或拖把间的摩擦力也增大。
3.滚动摩擦
当一个物体在另一个物体表面上滚动时所产生的摩擦,称为滚动摩擦。一般情况下,滚动摩擦所产生的摩擦力比滑动擦力小得多。轴承就是利用滚动摩擦力小于滑动摩擦力的原理而发明的。现在在所有机械轮轴转动系统中都要用到轴承,大到水轮发电机巨型轴承,小到微型电动机中的迷你轴承,这些都是为了获得高转速和减少摩擦力而普遍采用的措施。
可以说,滚动摩擦在生活中到处都是,比如用滚木运重物;圆珠笔在纸上写字,圆珠笔尖和纸产生的是滚动摩擦力,因为圆珠笔笔尖上是小圆珠;自行车轮运动也是滚动摩擦,但自行车轮和地面产生的摩擦却是静摩擦。