产生摩擦力的原因有两点:
1.接触面的质地,如果是理想的光滑状态当然就没有摩擦力.
2.压力,即垂直于物体运动方向的力,当两个粗糙物体接触,若没有垂直接触面的压力,也不会产生摩擦力.
摩擦力的公式f=uN.(u是摩擦系数,取决于质地;N即压力)
摩擦力产生的原因
摩擦力产生的原因,即摩擦力的本质是什么?早在15世纪初开始研究摩擦现象时,人们就在探索这个问题了。
摩擦力产生在两个接触表面之间。我们用肉眼看到的光滑固体表面,当用放大镜观察时,就会发现其表面是凸凹不平的,好像布满了高峰山谷一般。经过车床加工的金属表面,峰高可达5微米;再经过仔细研磨,峰高可以减至0.1微米。但这相对于原子尺度仍然是很大的。因此,当两个物体相互接触时,真正接触的只是物体表面的峰丘。在这些真正接触的区域内,两个接触表面的原子非常接近,原子之间具有非常强的相互作用力。在接触点以外的其他区域,两物体表面的原子之间的距离比较大,从几埃到几十埃(1埃=10-8厘米)。这些原子之间的相互作用力比较弱,与真正接触区域相比可以忽略不计。而接触区域的面积之和要比物体表观面积小得多。
当两个接触面发生相对滑动的时候,势必要以剪切的方式破坏原来所有的接触点,使两个接触表面的凸起部分相碰撞而产生断裂、磨损,从而形成了对物体运动的阻障。平行于接触表面而使接触点破坏所需要的剪切力,就等于摩擦力。
两物体表面开始接触时是一种点接触。在法向正压力的作用下。这些接触点的负荷很大,会使相接触的凸起部分产生弹塑性形变,从而使接触面积增大。坚硬的材料使其产生这种形变比较困难,即产生等量的形变需要更大的负荷。所以,两个物体表面真正相接触的面积大小,与所施加的法向正压力成正比,与相接触材料的硬度成反比。
摩擦系数μ等于摩擦力f与法向正压力N的比值,即μ=f/N。摩擦系数μ同两个物体的表视接触面积和滑动速度等因素无关。实验结果证明,对于一般机械加工的表面,摩擦系数μ同物体的表面粗糙程度无关;对于很粗糙的表面,因接触面凸与凹部分交错啮合,会使摩擦系数μ增大;对于非常光滑的表面,尤其是特别清洁的表面,由于真正接触面积增大和接触点粘结强度提高,所以摩擦系数μ也会增大。表面越光洁,摩擦系数的μ值也越大,这同人们一般的常识不同。
实际上,关于摩擦力的本质,目前尚未有定论,仍在深入探讨之中
摩擦力的本质:
1.凹凸啮合说.是从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.
2.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。老师在教学中经常使用“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。