一、摩擦力概述
兩個相互接觸的物體,當它們要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生相對運動時,便會在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對運動的力,這種力就叫做摩擦力。
生活中,摩擦力無處不在,其作用效果有利有弊。一方面,由于摩擦力的存在,我們可以通過踩剎車使汽車停止;另一方面,又由于摩擦力的存在,汽車即使在水平面上行駛,也需要不斷燃燒汽油,提供動力以克服摩擦力。
所有的機械和其構(gòu)件都是在摩擦力的約束作用下相對運動的,而摩擦力的約束作用又總是通過構(gòu)件進行傳遞,并使構(gòu)件產(chǎn)生壓、彎、拉、扭變形,從而造成破壞。
二、摩擦力的計算方式
目前,關(guān)于摩擦力的計算,我國初中、高中及大學的物理、力學以及機械零件等學科的教科書中都反復談及。它們將摩擦力作為一種約束條件,并根據(jù)阿芒湯(1663年-1705年)-庫侖(1736年-1806年)定律來進行計算。即F=μN。其中,μ指摩擦系數(shù),其大小決定于材料的固有特性,是一個固定常數(shù)。
這種摩擦力的計算方法,主要依據(jù)庫侖提出的機械嚙合理論。該理論在解釋摩擦現(xiàn)象時,主要停留在物體(固體)表面的純幾何概念上。其認為兩個粗糙的表面相互接觸時,接觸點會相互嚙合,而摩擦力正是所有嚙合點切向反力的總和;而當兩個物體的表面發(fā)生相互滑動時,摩擦力所消耗的功就是表面越過粗糙面所做的功??偟膩碚f,該理論在表面粗糙度比較大的情況下是可用的,而在表面粗糙度非常小的情況下就存在一定的片面性。
近代摩擦理論中,雖然摩擦力的計算方式仍然是:F=μN。但其中摩擦系數(shù)不再是單純的材料特性、固定常數(shù),而是材料與環(huán)境的綜合特性。此外,不同材料的摩擦機理也不相同。
針對工程上廣泛使用的金屬材料而言,當兩個物體表面發(fā)生相互接觸時,由于物體軟硬程度不一致且表面凹凸不平,在外力作用下,直接接觸部分可能會出現(xiàn)粘著區(qū)和嵌入?yún)^(qū)(如下圖所示)。
在凸峰與凸峰相接的地方,接觸面積很小,其接觸壓力可達幾百至幾萬巴。因此,當凸峰載荷大于其彈性極限時,就會發(fā)生塑性流動。在這個過程中,產(chǎn)生的瞬時高溫能夠達到1000℃以上,因此,凸峰與凸峰的接觸點會形成粘結(jié)點。而當硬表面的凸峰插入較軟表面內(nèi)時,則形成了嵌入點。
當兩個金屬表面發(fā)生滑動時,粘著點會因為相互滑動而被撕裂剪斷、產(chǎn)生磨損,并與其余凸峰發(fā)生連續(xù)碰撞后形成新的粘結(jié)點;嵌入點也會因為相互滑動而與其余嵌入面發(fā)生碰撞而形成犁溝。這一現(xiàn)象,正如恩格斯在《自然辯證法》中所說的:“摩擦可以看作一個跟著一個和一個接著一個發(fā)生的一連串的碰撞;碰撞可看作集中于一個瞬間和一個地方的摩擦。摩擦是緩慢的碰撞,碰撞是激烈的摩擦?!笨梢姡Σ吝^程實質(zhì)上就是粘著點被剪斷、嵌入點刨削軟表面的過程。因此,摩擦力就是令金屬粘結(jié)點斷裂的剪切力以及令嵌入點犁開軟表面的刨削力的總和。
假設表面共有粘結(jié)點m個。為了便于計算,設各粘結(jié)點為半球形,其半徑為r,且每個粘結(jié)點所承受的鉛直載荷為Pi,則:
Pi=N/(m+n)
流動壓力為:
p=Pi/(πr2)=N/[(m+n)πr2]
或
πr2=N/[(m+n)p]
如下圖所示,對于半球形的粘結(jié)點。當上表面發(fā)生滑動時,設令此粘結(jié)點斷裂的摩擦力為Fi,當粘結(jié)點的剪切強度為時則:
Fi=πr2τ=Nτ/[(m+n)p]
設m個粘結(jié)點所產(chǎn)生的摩擦力為Fi ,則:
Fi =mπr2τ=mNτ/[(m+n)p]
對于非金屬材料而言,除了金屬和塑料接觸的情況,與金屬和金屬接觸相類似外,其余所有的非金屬材料表面均不會產(chǎn)生粘結(jié)點。
三、摩擦在工程力學中的地位
1704年A·帕朗(1666年-1716年)提出了“摩擦錐”與“摩擦角”的概念。該概念的提出對靜力學而言,是一次有重要意義的發(fā)展。之后,歐勒(1707年-1783年)系統(tǒng)地研究了撓性帶的問題,并推出了計算撓性帶包角的歐勒公式。第一次正式將摩擦問題納入力學中,使力學不僅成為了研究構(gòu)件約束力的學科,還成為了研究摩擦約束力的學科。此后,隨著科學技術(shù)的發(fā)展,力學中其余部分內(nèi)容不斷得到了更新,而摩擦這一重要的內(nèi)容,直到現(xiàn)在仍保持著最初納入力學時的情形。摩擦力作為靜力平衡的一個附加條件,在力學中被認為是無足輕重的次要內(nèi)容。然而,實際上摩擦力不僅應用于靜力學,還在材料力學和動力學中具有十分重要的意義。
任何機械的構(gòu)件與工質(zhì)的相互作用都可以分為兩個方面:一方面,構(gòu)件承受了由工質(zhì)傳來的拉、壓、扭、彎等作用;另一方面,構(gòu)件與工質(zhì)之間存在摩擦作用。除此之外,所有零件與周圍環(huán)境的作用,大多數(shù)也都是摩擦方面的作用。并且,摩擦約束的條件要比結(jié)構(gòu)約束的條件更嚴重、更復雜。
雖然大多數(shù)情況下,摩擦對材料的損害并沒有構(gòu)件約束那么激烈和明顯,但摩擦能夠使系統(tǒng)發(fā)生自激振動,并使表面材料發(fā)生磨損,能夠直接關(guān)系到機械或結(jié)構(gòu)的性能與使用壽命。因此,從這個意義上來說,摩擦是工程力學中具有重要意義的課題。
四、結(jié)語
摩擦,是兩個物體相互接觸、作用而產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象,其力學特性之一就是摩擦力。摩擦學所涉及的內(nèi)容非常之多,其不僅關(guān)系到物理、化學、力學,還關(guān)系到冶金學以及材料學等方面的內(nèi)容。摩擦學中摩擦、磨損部分,與力學的關(guān)系最為緊密,可謂是力學的重要內(nèi)容之一。除此之外,摩擦在構(gòu)件約束力中的作用也是不可小覷??梢?,摩擦在工程力學中具有不可忽視的地位。
2018-05-23 16:13:52 596次 http://www.yiqi.com/retiao/detail_2434.html 熱門標簽: