當兩個相互接觸的物體之間具有相對速度,或具有相對運動趨勢時,在它們的接觸面上所產生的阻礙運動的機械相互作用。摩擦所產生的力或力偶稱為摩擦力或摩擦力偶。產生於兩固體之間的摩擦稱為幹摩擦。固體同液體(或氣體)之間的摩擦稱為濕摩擦。重要的摩擦類型有以下三種。

  滑動摩擦 它又有靜摩擦與動摩擦之分。當兩個保持相對靜止又相互接觸的一個物體受到外力作用,而具有對於另一物體作相對滑動的趨勢時時,在這兩個物體的接觸面上會產生一個阻礙這一相對滑動發生的摩擦力,這個摩擦力稱為滑動靜摩擦力。滑動靜摩擦力作用在兩物體接觸面的公切面上,方向與相對運動的趨勢方向相反。滑動靜摩擦力的大小隨產生相對運動趨勢的外部作用力的增大而增大,但具有一個最大值,當外部作用力超過此值時,兩物體即發生相對運動。這時的摩擦力稱為最大滑動靜摩擦力。它的大小正比於兩個物體的接觸面在公法線方向上的相互作用力(即它們之間的正壓力)的大小N,其比例系數μ稱為滑動靜摩擦系數。即最大滑動靜摩擦力的大小F

= μN,系數 μ近似地與接觸面的大小無關,隻依賴於兩物體的材料特性和接觸面的物理狀態。最大滑動靜摩擦力 F 與正壓力的反作用力 N 1的合力稱為接觸面的全反力 RRN 1之間的夾角稱為摩擦角φ。摩擦角的正切等於滑動靜摩擦系數,即tgφ=μ,以摩擦角φ的兩倍為頂角,以 N 1的方向為軸,以 R為母線所構成的圓錐稱為摩擦錐(見圖)。當外部作用力的合力在摩擦錐內部時,無論外部作用力有多大,兩物體仍將保持相對靜止,這種現象稱為自鎖。

  當兩個物體的接觸點(面)之間具有相對速度時,在它們的接觸點(面)上所產生的摩擦力稱為滑動摩擦力。在沒有其他外力作用的情況下,滑動摩擦力將使相對速度逐漸減小,最後使它們相對靜止。滑動摩擦力作用在兩個物體接觸面的公切面上,方向與相對速度方向相反。滑動摩擦力的大小與兩物體之間的正壓力N的大小成正比,其比例系數μ'稱為滑動摩擦系數,即滑動摩擦力的大小為F′=μ′N。當相對速度在某一限度內,滑動摩擦系數近似地與相對速度的大小無關,與接觸面積的大小也無關,它隻依賴於兩物體的材料特性與接觸面上的物理狀態。一般情況下,滑動摩擦系數小於滑動靜摩擦系數。

  滾動摩阻 它是由於兩物體發生滾動(或具有滾動趨勢)而在接觸面處產生彈塑性變形而引起的一種滾動阻力。它亦分為靜摩擦與動摩擦兩種。在兩個保持相對靜止又相互接觸物體中的一個受外力矩作用而對於另一物體有相對滾動的趨勢時,在它們的接觸面上會產生一個阻礙發生相對滾動的力偶,它稱為靜摩擦力偶。靜摩擦力偶矩隨外力矩的增大而增大,但具有一最大值。當外力矩超過這一最大值時,物體開始發生相對滾動,這一摩擦力偶就稱為最大靜摩擦力偶。它作用在與相對滾動轉軸垂直的平面內,其轉向與外力矩的轉向相反。力偶矩的大小與兩物體的正壓力N的大小成正比,即最大靜摩擦力偶的力偶矩的大小M

N,比例系數δ稱為滾動靜摩擦系數,量綱為L,它近似地隻依賴於兩物體的材料與接觸面的物理狀態。

  當兩個接觸物體中的一個相對於另一個作無滑動的滾動並有相對角速度時,在它們的接觸面上會產生一個阻礙相對滾動的力偶,這個力偶稱為摩擦力偶。在沒有外力矩作用的情況下,摩擦力偶將使相對滾動角速度逐漸減小而趨向於零。摩擦力偶作用在相對滾動的轉軸的垂直平面內,方向與相對角速度的方向相反。力偶矩的大小正比於兩物體之間的正壓力N 的大小,M=δ'N,其比例系數δ'稱為滾動摩擦系數。滾動摩擦系數近似地隻依賴於兩物體的材料與接觸面的物理狀態,量綱為L

  固體在流體中的摩擦 當固體在液體或氣體中作相對運動時,液體或氣體也將在固體表面上產生阻礙運動的摩擦力。由於在運動物體的邊界出現邊界層,實際上摩擦在流體質點間發生,這是一種濕摩擦。這個摩擦力正比於液體或氣體的粘性系數(見粘性)。在相對速度很小時,正比於相對速度;在一般情況下,它正比於相對速度的二次方或高次方。比例系數與固體的表面物理狀態及形狀有關。

  除瞭靜摩擦以外,所有的摩擦將毫無例外地產生熱效應。因此,在有摩擦的運動中,機械能不再守恒,一部分機械能將由於摩擦而轉化成熱能。對於高速運動的物體,或表面十分粗糙的物體之間,由於摩擦產生的熱量,使物體的溫度急劇上升,甚至燃燒。人類的祖先正是利用摩擦生熱原理,發明瞭鉆木取火,才得以生存和發展。但是,由於摩擦而產生的熱在很多情況下不能被利用,從而大大降低瞭機械效率和能源的有效利用率。除瞭損失能量外,磨擦使物體磨損,許多機器因磨損而報廢,造成很大損失甚至發生事故。但是利用磨損也能帶來好處,例如機械加工中的磨削就是一例。人類在與摩擦的危害性作鬥爭的同時,廣泛地利用摩擦為人類服務。正是因為有摩擦,人才能在地面上行走,車輛才能在地面上行駛,機器才能傳動和制動,結構才能靠螺栓、螺釘聯結,紡織物才能編織成佈等等。離開瞭摩擦,人類的衣食住行都將發生不可設想的困難。因而,摩擦是人類賴以生存、發展的不可缺少的條件。

  關於產生摩擦的機理,以及摩擦力的精確描述,仍是一個需要深入探討的問題。

  

參考書目

 捷裡亞金著,劉超、吳惜抱譯:《什麼是摩擦》,科學出版社,北京,1966。