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生活中的物理 之摩擦 201010800103 严丽华 一、摩擦学发展史 其实我们早在史前运用了摩擦。摩擦起火，可以说是人类对摩擦的最早认识和运；再者，在公元前2000年左右我国劳动人民就已使用古车、滑车等，据说车轮是人类历史上的最大发明之一，对于这些事物的使用，大大减少克服摩擦所做的功。在摩擦学史上，对其作出巨大贡献的有里奥纳德.达.芬奇、伽利略、牛顿、阿蒙顿和库仑等。里奥纳德.达.芬奇第一个对摩擦提出了科学的论断，他认为摩擦力与载荷成正比，而与名义接触面积无关，摩擦力的大小为其重量的四分之一，即摩擦系数为0.25；在对动力学和摩擦现象的研究方面，伽利略发现了“惯性原理”—如果运动着的物体未被扰动，则他将继续沿一直线做等速运动；牛顿提出了著名的经典力学基础定律；后来阿蒙顿和库仑用实验来验证了摩擦力与法向载荷成正比，他们先后分别提出了摩擦第一、二定律和摩擦第三定律。 二、摩擦的原理 自科学家对摩擦的研究以来已历时五百多年，目前摩擦学已有了很大的进展，出现各种理论来阐述摩擦本质，但至今仍无统一理论，下面简要介绍摩擦研究中的几种主要理论。 1机械理论 十八世纪以前，研究摩擦的许多学者把摩擦的起因说成是由于表面的凹凸不平，即当两个固体表面发生接触时，由于表面凹凸不平处的互相齿合，而产生阻碍两固体运动的阻力，称为“机械理论”。巴拉认为摩擦是沿粗糙面上升的结果，而摩擦系数为粗糙斜角的正切，表面越粗糙摩擦系数越大。实践表明，机械理论只适用于粗糙表面。 2分子理论 产生摩擦力的主要原因在于两物体摩擦表面间所持有的分子力即为分子理论，运用分子间存在吸力和斥力是分子间距离的函数，当一个物体沿另一个物体滑动时，由于表面存在粗糙度，某些接触点的分子间的距离很小，它们之间产生分子斥力，而另一些接触点的分子间的距离较大，它们之间产生分子吸力。由此推导出摩擦系数与接触面积成正比，与载荷立方根成反比。 3粘着理论 当两表面相接触时，在载荷作用下，某些接触点的单位压力很大，这些点将牢固地粘着，使两表面形成一体，当一表面相对另一表面滑动时，粘着点则被剪断，而剪断这些连接着的力就是摩擦力。此外，如果一表面比另一表面硬一些则硬表面的粗糙微凸体顶端将会在较软表面上产生犁沟，这种犁沟力也是摩擦力，故摩擦力是两种阻力之和。 三、摩擦的影响 1、材料磨损 磨损是伴随摩擦的必然结果，它是相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗或产生残余变形的现象。下面主要介绍磨损的五种主要型式。 （1）、粘着磨损 当摩擦副接触时，由于表面不平，发生的是点接触，在相对滑动和一定载荷作用之下，接触点发生塑形变形或剪切，使其表面膜破裂。摩擦表面温度升高，严重时表层金属会软化或熔化，此时，接触点产生粘着。出现粘着—剪断—再粘着—再剪断的循环过程，这就形成了粘着磨损。 （2）、磨料磨损 对于粗糙硬表面把软的工作表面划伤，或者两接触面受外界硬粒划伤工作表面，都属于磨料磨损。在农业机械、建筑机械、工程机械和运输机械中许多机械零件，与泥沙、矿石或灰渣等直接摩擦，都会产生不同形式的磨料磨损。 （3）、表面疲劳磨损 表面疲劳磨损是指摩擦时表面有周期性的载荷作用，使接触区产生很大的变形和应力，并产生裂纹而破坏的现象。通常在齿轮副、滚动轴承、钢轨与轮副等零件比较容易出现表面疲劳磨损。 （4）、腐蚀摩擦 在摩擦时材料与周围介质发生化学或电化学相互作用的磨损。腐蚀磨损材料的摩擦表面破坏是由于同时发生了两个过程，即腐蚀和机械磨损。机械磨损可能是由于两个相配合的表面滑动摩擦引起的，也可能是在气蚀和非气蚀条件下因有硬颗粒介质流的作用；而腐蚀是由于材料与介质之间发生化学或电化学反应所造成的磨损。 （5）、微动磨损 微动磨损是一种典型的复合式磨损，它在两个表面之间由于振幅很小的相对振动而产生的磨损。通常在静配合的轴与孔表面，某些片式摩擦离合器内外摩擦片的结合面上，以及一些受振动影响的联接件的结合面上等，都可能出现微动磨损。 2、能量消耗 摩擦总是伴随着能量的消耗，摩擦机械系统的输入功只能部分地作为有用的输出功，功的另一部分不是存储于系统内就是作为损耗逸出到周围环境或转移到热平面。 四、摩擦的减少 摩擦对材料的使用、寿命都有了很大的损坏作用，故对减少摩擦的研究显得尤为重要。 1材料选择：选择耐磨、减摩及摩阻材料，材料的耐磨性是指材料的摩擦磨损特性，它通常是指在一定的工况条件下，摩擦副材料在摩擦过程中抵抗磨损的能力，摩擦的耐磨性是有条件的，也是相对的，故要根据工况来决定选取哪一种耐磨材料；机械中广泛使用减磨材料，除金属外，还有各种工程塑料、高分子复合材料、无机纤维材料等非金属减磨材料，但这些仅适用于特殊的工况条件，如高真空、腐蚀介质等，各类减磨材料有不同性能与特点，分别适用于不同的工况条件及要求，