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通过摩擦产生的原因了解摩擦.pdf
中国电机工程学会第十届青年学术会议 ·吉林
通过摩擦产生的原因了解摩擦
韩雪英
(东北电力大学理学院 吉林省 吉林市 132012)
摘要:在实际生产生活中滑动摩擦和滚动摩擦更为常见。滑动摩擦产生的主要是粘着效应和犁沟效应
产生阻力的总和。滚动摩擦产生的原因为:微观滑动,塑性形变,弹性滞后,粘着效应的总和,不同情况各种因素所起的作
用不同。现代机械设备中许多摩擦体处于高速、高温、低温、真空等特殊工况下工作,它们的摩擦特性不同于一般工况下的
摩擦。高速、高温、真空情况温度高是使摩擦系数增大的主要因素,低温物体的冷脆性是影响摩擦的主要因素。
关键词:摩擦;产生机制;粘着效应
在宇宙中运动的物体间普遍存在着摩擦现象,由于摩擦运动过程和系统动态特性受到影响或干扰,机
械所传递的一部分能量在克服摩擦阻力的过程中被消耗掉。在现代汽车中,20%的功率要用来克服摩擦;
飞机上的活塞式发动机因摩擦损耗的功率要占 10%,就是最先进的涡轮喷气发动机也要为克服摩擦损耗 2
%的功率。世界上有数以万计的汽车、飞机等机械,这样每年要有许多燃料被白白浪费掉。但更为严重的
是,摩擦还会造成机器零部件的磨损。据 1976年的一份报告估计[1],全世界工业部门产生的能量,约有
30%消耗在摩擦过程中,而在英国、日本或德国等工业国家,每年约有 20 亿美元由于机械磨损而损失。另
一方面,摩擦也可以被利用为人类服务。我们的衣食主行都要依靠摩擦;有些机械和加工工艺是利用摩擦
原理工作的,如摩擦压力机、传动带、摩擦离合器和制动器,以及摩擦焊接和切削等。人类的生存发展是
离不开摩擦的。
两个相互接触的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时,阻止两物体接触表面发生切向相互滑动或
滚动的现象称为摩擦。摩擦力是生产生活中最常见的一种作用力,如何利用摩擦力造福人类和减少摩擦力
造成的不利影响,是现代科技研究的重要内容。
那么摩擦力的产生机制是什么呢?我们通过高中的学习了解到滑动摩擦力的公式为f μN 。式中f
为摩擦力,μ为摩擦系数,认为摩擦系数取决于材料的性质和材料表面的粗糙程度,而与表观接触面积、
滑动速度的大小及载荷大小无关,N 为正压力(即法向载荷)。这种摩擦理论是通过试验方法建立的,有
很大的局限性,只能近似用于工程计算。而当法向载荷较大,实际的接触面积接近表观接触面积时,还有
极硬材料或极软材料相互接触时,上述关系并不成立。对于弹性或粘弹性材料的滑动摩擦力与表观接触面
积密切相关。另外,许多材料的摩擦系数都与滑动速度和载荷的大小有关。随着研究的进展,提出了各种
不同的摩擦理论。主要有下列三类。
一. 机械啮合理论
这是较早的一种摩擦起源理论,认为摩擦力缘于接触面的粗糙程度。相互接触的两物体粗糙的峰相互
啮合、碰撞以及产生的塑性或弹性的形变,特别是硬的粗糙峰嵌入软表面后在滑动过程中产生的形变会引
起较大的摩擦力。在一般情况下,减小表面的粗糙程度可以降低摩擦系数。但是超精加工表面的摩擦系数
反而剧增,这说明机械啮合作用并非产生摩擦力的唯一因素。
二.分子作用理论
这种理论认为由于分子的活动性和分子作用力可以使固体黏附在一起而产生滑动阻力,被称为粘着效
应。接触表面的分子作用力产生的滑动阻力随实际接触面积的增大而增大,与法向载荷的大小无关。但这
种理论在重载荷条件下才符合实际情况。
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中国电机工程学会第十届青年学术会议 ·吉林
三.粘着理论[2]
在二十世纪三十年代末期,人们从机械-分子联合作用的观点出发建立了粘着理论。这一理论相当完
善的地解释了许多摩擦现象。下面用粘着理论解释一下滑动摩擦力的产生机制。
1. 摩擦表面处于塑性接触状态。
实际面积只占表观面积的很小部分,在载荷作用下峰点接触处的应力达到受压的屈服
极限而产生塑性形变。此后,接触点的应力不再改变,只有靠增大接触面积来承受继续增加
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