影响摩擦力的因素有哪些?
两个表面相互滑动时,就会发生摩擦。摩擦力是自然现象,不该出现的地方出现了,该出现的地方不出现,都不利于人类的生存。比如,我们之所以能够行走,汽车能开起来,就是因为地面有摩擦力,而在冰上行走要小心翼翼,就是因为摩擦力不足够。
影响摩擦力的因素很复杂,至少有下面七个方面:
1.滑动物体表面的光滑度
2.支撑面的光滑度
3.物体的形状
4.正压力
5.接触面积
6.摩擦类型
7.滑动状态
摩擦力主要取决于上面列出的因素,让我们详细讨论一下。
1.滑动物体表面的光滑度
肉眼中看起来很光滑的物体表面,在显微镜观察时,都是粗糙的。
摩擦力与物体的粗糙度成正比
冬天马路结冰很滑,但是可以用抓地力强的轮胎增大摩擦力(甚至使用防滑链条)。在山地和湿地徒步旅行时,我们穿着时髦的运动鞋,是因运动鞋鞋底花纹能抓地,增加摩擦力,减少滑倒的机会。
2.支撑面的光滑度
支撑面不可能有完美光滑,都有一定粗糙度。这种粗糙度与滑动物体凹凸嵌合而产生摩擦。
但是也有研究表明当两个物体表面过于光滑,达到分子尺度时,分子间的吸引力显著增大,此时表观摩擦力反而会增大。
3.正压力
法线方向上的力将增加表面之间的相互作用,从而增加摩擦力。摩擦力与施加的法向力成正比[f=μ*N,其中μ是摩擦系数]。
法线方向上力通常是物体的重量或与物体的重量成正比。因此重物所需推力大。
4.流体摩擦力与物体形状有关
液体和气体中也存在摩擦。与固体表面上滑动相比,空气或水提供的摩擦力比较小(速度越高会越大)。选择流线型形状有利于减少摩擦力。
海豚的流线型身体有助于它们减少水中的摩擦。
飞机、高铁采用流线型设计,以减少摩擦。
5. 接触面积
库仑摩擦定律f=μ *N没有面积的影响,这是近似模型,更精确的模型,肯定需要考虑压力面积。
6.摩擦类型
滚动摩擦总是小于滑动摩擦。轮子滚动大大减少表观摩擦力,比如旱冰鞋可以减少摩擦。
通常滚动轮子越大,等效摩擦系数越小,因而越省力。所以骑自行车时,如有可能尽量选大轮子型号。
滚动摩擦之所以省力是因为物体从支撑面“压”过去,而不是滑动摩擦力那样“蹭”过去。“蹭”过去需要将粗糙面的嵌合抹平,而”滚“只需从”嵌合"分离,然后跳过去。
7.润滑状况
从工程角度(不是科幻),摩擦只能减少,不能消除。可以在接触表面形成液体润滑剂润滑膜减少摩擦,例如机械零件,我们使用润滑方法来避免零件在运行时发生摩擦。
有润滑的湿摩擦通常小于干摩擦。流体摩擦是物体与流体(液体或气体)之间的摩擦。流体不抗剪切,所以滑动容易,但能够将接触面撑开。
若要让流体在表面形成润滑膜则流体要有粘性,此粘性在高速状态也引起阻力。