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在微观上,如何解释摩擦力的产生?

摩擦力本质上是四大基本作用中的电磁相互作用,与相互摩擦的物体有关,物理学中对摩擦力所做出的描述没有一般化,也不像对其它的力那么精确,不同物体之间的摩擦存在不同的理论描述,如描汽车轮胎与路面的摩擦理论并不适用于玻璃与纸张之间的摩擦力特征。

一般我们把两个互相接触的物体,当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力。

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固体表面之间的摩擦力的来因有两个:固体表面原子、分子之间相互的吸引力(化学键重组的能量需求,胶力)和它们之间的表面粗糙所造成的互相之间卡住的阻力。描述它我们有半经典的齿轮啮合说:—— 认为摩擦是由相互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互碰撞,产生断裂、磨损,就形成了对运动的阻碍。 以及涉及到原子尺度的粘附说:——粘附论认为:两个相互接触的表面,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^-8m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)摩擦性,超过材料的弹性限度,微凸起的顶部便发生塑性形变摩擦性,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黏合。这时,要使两个彼此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。

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人们通过不断试验和分析计算,发现上述两种理论提出的机理都能产生摩擦,其中粘附理论提的机理比啮合理论更普遍。但在不同的材料上,两种机理的表现有所偏向:金属材料,产生的摩擦以粘附作用为主;而对木材,产生的摩擦以啮合作用为主;实际上,关于摩擦力的本质,目前尚未有定论,仍在深入讨论中!

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参考文献

——李晓焱; 罗春梅; 尤凤翔 .摩擦理论与摩擦系数 [D]