关于摩擦力科学论文

2017-03-29

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。下面是小编为大家精心推荐的关于摩擦力科学论文,希望能够对您有所帮助。

关于摩擦力科学论文篇一

摩擦力研析

【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10-8 m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 】

[1]徐行.力学[M].内蒙古人民出版社,1993.

[2]梁昆淼.力学(上册)[M].高等 教育 出版社,1998.

[3]李迺伯.物理学[M].高等教育出版社,1999.

[4]李椿,夏学江.大学物理[M].高等教育出版社,1998.

关于摩擦力科学论文篇二

静摩擦力浅议

摘 要:当两个互相接触并处于相对静止的物体间存在相对运动趋势时,就有静摩擦力产生。静摩擦力的方向与相对运动趋势方向相反,与接触面相切,最大静摩擦力跟物体接触面间的正压力成正比。

关键词:静摩擦力;最大静摩擦力;平衡状态。

在教学过程中,经常发现不少学生分析静摩擦力时,时常会出现错误的判断,究其原因,在于这些学生没有真正理解静摩擦力产生的条件及其特点。当两个互相接触并处于相对静止的物体间存在相对运动趋势时,就有静摩擦力产生。静摩擦力的方向与相对运动趋势方向相反,与接触面相切。为了帮助学生正确处理有关静摩擦力的问题,现介绍以下两种方法。

1、根据静摩擦力产生的条件分析

产生静摩擦力的充要条件是:

① 两物体接触;

② 两物体互相有压力;

③接触面不光滑;

④两物体间有相对运动趋势。

其中前三个条件比较容易判断。但两接触物体间有无相对运动趋势成为判断静摩擦力的依据。"相对运动趋势"必须是彼此接触的两个物体互为参照物,而不是以两个物体之外的物体为参照物。通常可用假设法:先假设接触面是光滑的,看被研究的物体相对于接触面是否运动,向何方运动,即为运动趋势方向若运动则有静摩擦力,其方向与相对运动方向相反;不运动则无静摩擦力。

再例如:试判断自行车后轮在滚动时受到的静摩擦力的方向。

分析:先假设自行车后轮与地面没有摩擦力,可以明显看到后轮与地面的接触点相对与地面是向后运动的,则说明后轮相对于地面有向后运动的趋势,所以后轮受到地面的静摩擦力是向前的。 2、根据物体运动状态分析

①根据物体的平衡条件来分析静摩擦力。

当物体处于平衡状态时,可根据平衡条件ΣF = 0来分析静摩擦力。

例如:如图所示,一木块放在水平桌面上处于静止状态,木块在水平方向上受到F1和F2的作用力,其中F1=10N,F2=6N,求木块受到的静摩擦力的大小。

(注:上图左边直线上方标注F1,左边直线上方标注F2)

分析:由于木块处于静止状态,因此木块在水平方向上合力为0,即水平向左的力等于水平向右的力,即F2 +f = F1, 计算可得静摩擦力等于4N。

② 根据牛顿第二定律来分析静摩擦力。

如果物体处于非平衡状态,可以根据牛顿第二定律来分析静摩擦力。

例如:物体A放在水平放置的圆盘B上,随B一起作匀速转动,试分析物体A受到的静摩擦力的方向。

分析:物体A在竖直方向上受重力G和盘对它的支持力N的平衡,而A在水平面内作匀速圆周运动,A作匀速圆周运动所需的合力(向心力),只有靠圆盘B对物体A的静摩擦力来提供,由于向心力的方向是沿半径指向圆心的,所以,静摩擦力的方向也是沿着半径指向圆心的。

3、静摩擦力的大小:用较小的力推桌子,桌子没动,根据二力平衡条件,静摩擦力与较小的推力相等;用较大的力来推,若仍然不动,静摩擦力与较大的推力相等,所以静摩擦力是随着物体所受外力的大小而变化的,它的作用就是阻碍物体间发生相对运动。不过,静摩擦力并不能无限度的增加,当我们逐渐增加推桌子的力,桌子终究会动起来,在从静到动的一刹那,静摩擦力不能增加了,它达到了最大值,这个最大值叫最大静摩擦力。实验表明:最大静摩擦力跟物体接触面间的正压力成正比。

理解静摩擦力的含义需注意以下几点:

1)静摩擦力不是一个不变的力,它随着外力的增大而增大。

2)用公式算出的是最大静摩擦力,不一定是实际摩擦力。例如:用手握一个瓶子,为什么瓶子越重手握得越紧?

分析:当手把瓶子握住时,瓶子在竖直方向受到了两个力的作用,向下的重力G 及向上的静摩擦力F,由于处于平衡状态,所以G=F,瓶子越重,要把瓶子握住,需要的实际摩擦力越大,由于静摩擦力不会超过最大静摩擦力F。所以当瓶子较重时,瓶子与手之间必须有较大的最大静摩擦力,才能保证实际静摩擦力不超过它。手把瓶子握得紧,手与瓶子之间的正压力越大,最大静摩擦力也越大,但当最大静摩擦力增加时,实际静摩擦力并不一定增大,因此,当瓶子平衡时,它所受到的静摩擦力F总是等于物体的重量G。由本题可见,最大静摩擦力和静摩擦力是两个不同的概念。

4、教师在讲授静摩擦力这一问题时,需要注意的问题有:要向学生提出"以课本为主,课前要预习,要学会读书"的 要求,向学生指出静摩擦力的定义和特点,这些定义和 规律是什么意思?在日常生活生产实践中,有哪些实例?可以在黑板上列出如下提纲:什么叫静摩擦力?是否两个物体接触就一定产生静摩擦力?静摩擦力和哪些因素有关?通过预习提纲引导学生边阅读边思考。帮助他们有的放矢的进行阅读教材。

另外,可以通过实验更好的帮助学生理解静摩擦力,同时通过实验还可以增加趣味性。

总之,在教学过程中分析静摩擦力时只要采用正确的方法,就会避免错误的判断,对于学生真正理解静摩擦力产生的条件及其特点有重要意义。

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