摩擦分析


摩擦分析

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摩擦力是一个让人又爱又恨的东西,有些时候我们需要摩擦摩擦,更多的时候我们又希望摩擦力小些再小些,最好等于零 。但你很难想象一个没有摩擦力的世界,那里除了稀薄的气体之外什么都不会有 。
摩擦的本质是物体接触面之间的咬合和原子的碰撞,摩擦力就是因摩擦而阻碍物体相互以切线方向运动的力 。
摩擦力分为滑动摩擦力和静摩擦力,动摩擦力指的是两个相互运动物体之间的摩擦阻力,静摩擦力指的是两个有相互运动趋势物体之间的咬合力 。物理课本里说滚动摩擦力实质上是静摩擦力,但我们应该将其与滚动阻力区分开来(这一点我们将在以后的文章里专门谈) 。
摩擦无处不在
两个物体相互接触并且有相互施压的力,当这两个物体有沿着接触面切线方向相对运动、或者有相对运动的趋势时,我们称这两个物体有摩擦 。阻碍它们相对运动的力就是摩擦力 。
如果物体已经在接触面切线方向发生相对位移,这就是滑动摩擦;如果二者之间处于将动未动的状态,我们称之为静摩擦 。

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推箱子时,我们的脚与地面之间、箱子与地面之间都有摩擦
当我们在桌面移动鼠标、推动地板上的纸箱、冬天参加滑雪或滑冰、早晨刷牙洗脸、甚至搓手挠痒等等,这些都属于滑动摩擦 。
而当我们走路、登上靠墙的梯子、在斜坡拉上汽车手刹、或者用尽吃奶的力气也推不动一个大箱子的时候,静摩擦在其中就起了关键作用 。
为什么会有摩擦?
因为接触面不平 。
物体的表面都是不平的,古埃及的工匠们努力将堆砌金字塔的巨大石块打磨得极其平整,据说石块间严丝合缝到连一枚刀片都插不进去,但这些巨大的石头依然不是那么光滑,它的表面有许许多多的凸起和凹坑 。要想将这些重达2.5吨甚至160多吨的巨石从采石场运送到建造金字塔的工地并堆砌起来,这无疑是项艰巨的工作 。

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古埃及建造金字塔想象图
从上面这张图中我们可以看出,埃及人用圆木充当滚轴,以滚动摩擦来取代滑动摩擦 。即便如此,依然需要大量的人力才能拖动石块 。
如果我们将物体的接触面放大,就能发现原来我们以为平整的表面实际上是坑洼不平的,当两个不平整的物体相互紧贴,这些凹凸的表面会相互咬合,从而为滑动增加阻力 。

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不光滑的接触面产生摩擦
你可能会说,如果我们将两个接触面打磨得像镜子那样光滑,是不是就没有摩擦了呢?
事实上,这世界并不存在绝对光滑的表面,你以为玻璃很平,但当你将两片玻璃贴合在一起推动它们的时候,就会发现阻力很大 。这一方面是因为两片玻璃之间空气被排除,外部大气压力作用使两片玻璃的压力更大,同时也证明了玻璃其实并不平 。

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玻璃并不平
我们都知道物质由原子组成,原子是一个由电子包裹着的球状体,因此我们看起来再平整的表面,它都是由不平整的球面排列而成,从微观角度看这些表面都是有高低起伏的 。
当两个看似极光滑的表面相互接触时,由于原子外壳的起伏,物体的接触面自然存在相互咬合的现象 。

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