為什麼滑動摩擦力小於靜摩擦力,為什麼滑動摩擦力會小於最大靜摩擦力

時間 2022-02-23 21:50:31

1樓:毓盼柳殷絹

1.放大來看,物體間的接觸面是凹凸不平的。若物體在桌面時是靜止的,那麼木塊下面粗糙的部分會有一部分嵌入桌面的上面的粗糙部分,就想齒輪咬合一樣,這樣要想使木塊動起來就要有一部分力來克服重力沿斜面向下的分力,一旦物體運動物體嵌入桌面的粗燥部分會減少,不必用過多的李去克服重力沿斜面向下的分力,故受力大於物體滑動時所受的摩擦力,即靜摩擦力略大於滑動摩擦力;

2.當對物體施加的外力等於滑動摩擦力時,而我們假設最大靜摩擦力等於滑動摩擦力的話,那麼二力平衡,物體所受合力為0,物體就應該保持原有的狀態,靜止不動,所以只有提供一個比滑動摩擦力稍大的力才能使物體產生與合力方向相一致的加速度,使物體運動,故靜摩擦力略大於滑動摩擦力。

2樓:聖宛凝國宇

滑動摩擦力小於最大靜摩擦力,原因不是因為慣性,慣性是一種誤解。

真正原因是,相對靜止時,兩個物體之間因吸引力有一個比較緊的咬合,因此要克服這個力。也有點像滲透一樣。。。希望能理解。

3樓:化學高中

研究靜摩擦力與滑動摩擦力

為什麼滑動摩擦力會小於最大靜摩擦力

4樓:方文賦

主要是根據實際情況。

一般而言,動摩擦力通 常小於最大靜摩擦力,換句話說,動摩擦係數(動摩擦力與正向力的比值)小於靜摩擦係數。所以當我們推一件重物時,往往覺得一開始不容易推動,但一旦移動以後,僅需要較少的力就能讓物體維持前進。

關於摩擦現象及其本質

摩擦有幹摩擦和溼摩擦兩種。幹摩擦是固體表面之間的摩擦,又叫外摩擦;溼摩擦是液體內部或液體和固體的摩擦,又叫內摩擦。此外幹摩擦又分靜摩擦和滑動摩擦、滾動摩擦。

1.放大來看,物體間的接觸面是凹凸不平的。若物體在桌面時是靜止的,那麼木塊下面粗糙的部分會有一部分嵌入桌面的上面的粗糙部分,就想齒輪咬合一樣,這樣要想使木塊動起來就要有一部分力來克服重力沿斜面向下的分力,故受力大於物體滑動時所受的摩擦力,即靜摩擦力略大於滑動摩擦力;

2.當對物體施加的外力等於滑動摩擦力時,而我們假設最大靜摩擦力等於滑動摩擦力的話,那麼二力平衡,物體所受合力為0,物體就應該保持原有的狀態,靜止不動,所以只有提供一個比滑動摩擦力稍大的力才能使物體產生與合力方向相一致的加速度,使物體運動,故靜摩擦力略大於滑動摩擦力。

無論是動摩擦力還是最大靜摩擦力,影響其大小的只有兩個因素,既正壓力和摩擦因數,這裡是同一個物體所以只要考慮摩擦因數。而靜摩擦因數是大於動摩擦因數的。因為物體與支撐物之間的接觸面是凸凹不平的,當物體處於靜止狀態時由於重力的作用會使兩個接觸面發生微小的形變,使兩者很好的吻合,而當物體動起來之後兩接觸面之間只有巨集觀的接觸,還來不及發生微觀的變形->吻合就已經移動到下一位置了,所以靜摩擦因數大於動摩擦因數。

已經知道,物體靜止時,摩擦力的大小和推力f的大小相等,方向相反。隨著f的逐漸變大,摩擦力的大小也逐漸變大。而當f到達一臨界點時,物體將運動起來,在這一點,摩擦力的大小等於此時推力f的大小,此時的摩擦力就是最大靜摩擦力。

而這一點,也是運動的起點。又知道,物體運動後,摩擦力的大小隻與物體的質量有關,所以是個定值,也就等於最大靜摩擦力的大小。

(1)靜摩擦和滑動摩擦

靜摩擦:設有兩個物體a和b(如貨物和地板)相互接觸,如圖3-23所示。我們推貨物時如果用力f較小就推不動。

a不動的事實表明,b對a的摩擦力和外力f大小相等,方向相反,這種摩擦力是在a和b相對靜止但卻具有相對運動趨勢的情況下發生的,稱為靜摩擦力。

當外力逐漸增大時,靜摩擦力也增大。但當外力達到某一數值時,a開始移動。可見靜摩擦力增到一定數值後就不能再增大了,這一數值的靜摩擦力叫做最大靜摩擦力(圖3-24)。

實驗證明:最大靜摩擦力f0與接觸面間的正壓力fn成正比,即f0=μ0fn,式中的μ0叫做靜摩擦係數,它由相互接觸物體的質料和表面情況(如粗糙程度、乾溼程度)決定。表1中列舉某些μ0的數值。

表1相互接觸的物體對

μ0鋼—鋼(乾麵)

0.15

鋼—鋼(塗油面)

0.12

金屬—木材(乾麵)

0.5金屬—木材(塗油面)

0.1金屬—皮帶(乾麵)

0.56

必須注意,靜摩擦力的大小由外力f的大小決定,可隨外力f的增大取0到f0之間的各個數值。當外力f>f0時,物體a相對於b發生運動。

滑動摩擦:當物體間有相對滑動時,出現一種阻止物體間相對運動的表面接觸力,這個力和相對運動速度方向相反,叫做滑動摩擦力。滑動摩擦力不但與物體的質料、表面情況以及正壓力有關,一般還和相對速度v有關。

在滑動剛開始發生時,滑動摩擦力比最大靜摩擦力小,而且隨著相對速度的增大而繼續減少,以後又隨著相對速度的增大而增加。滑動摩擦力f隨相對速度v的變化關係可粗略用圖3-25表示。

實驗表明,滑動摩擦力f也和正壓力fn成正比,即式中μ稱為滑動摩擦係數,它和相對滑動速度v有關。對於兩個給定表面,滑動摩擦實際上與接觸表面面積的大小無關。

(摘自高等教育出版社 趙凱華、羅蔚茵編著《力學》第69頁至第71頁)

(2)滾動摩擦

在水平面上推動圓柱形的滾子,如果不繼續推它,就會慢慢停下來。我們將圓柱形的滾子看成剛體,根據剛體對質心軸的轉動定理,滾子必然受到一個與滾子角速度方向相反的力矩,這就是「滾動摩擦力矩」。

設一個重為w的圓柱體在水平面上靜止,則支撐面的形變是對稱的,如圖3-26甲所示。

當圓柱體在水平面上滾動時,支撐面的形變是不對稱的,如圖3-26乙所示。支撐面將給圓柱體一個作用力n。

如圖3-26丙所示,將作用力n分解為豎直方向的n0和水平方向的f,n0可看成水平面對圓柱體的支援力,與重力w平衡;f則看成水平面對圓柱體的摩擦力,即滾動摩擦力。

將豎直方向的n0平移至圓柱體的質心,並附加一個力矩m,這個力矩將阻礙圓柱體的轉動,稱為「滾動摩擦力矩」,顯然m=n0δ,δ稱為「滾動摩擦係數」,它與接觸面的材料、粗糙程度和滾動速率有關。接觸面越硬,形變越小,n0偏離轉軸的距離δ越小,「滾動摩擦力矩」越小。

若圓柱體的半徑為r,取μ′=δ/r稱為滾動阻力系數,與滾動快慢、接觸面的材料以及形變程度均有關。表2中列出了幾種典型的μ′值。

表2典型路面

μ′良好的瀝青或混凝土

0.010~0.018

一般的瀝青或混凝土

0.018~0.020

坑窪的卵石路面

0.035~0.050

泥濘土路

0.100~0.250

結冰路面

0.010~0.030

同時,滾動摩擦力的力矩等於「滾動摩擦力矩」,即fr=δn0

則滾動摩擦力f=μ′w

一般來說,比較表1和表2可知,滾動阻力系數μ′<μ0,同時μ′<μ,所以使滾子轉動比使滾子平移要省力,也就是常說的,滾動摩擦比滑動摩擦小。

(3)流體與固體之間的摩擦

流體(氣體和液體)不會對與它相對靜止的物體施加摩擦力,但對在其中運動的物體施加阻力。除流體本身的密度和粘滯性外,阻力f的大小還與運動物體的速度v、橫截面積s和形狀等因素有關。

比較小的物體,在粘性較大的流體中緩慢運動時,所受的粘滯阻力f與物體運動速度v、橫截面積s的方根、粘滯係數η成正比。例如球形物體受到的粘滯阻力為

f=6πηvr

r為球的半徑,v為球體運動的速度,η為流體的粘滯係數。這就是著名的斯托克斯公式。例如霧中水滴降落、血細胞在血漿中下沉等屬於這種情景。

比較大的物體,在粘性較小的流體中快速運動時,所受的粘滯阻力f與物體運動速度v的平方、橫截面積s成正比,與粘滯係數η無關。例如圓柱體受到的粘滯阻力為

f=cdρdlv2

ρ、d、l分別表示流體密度、圓柱體的直徑和長度,cd為阻力系數。例如汽車的運動屬於這種情景。

(摘自高等教育出版社,漆安慎、杜嬋英編著《力學》第305頁至第307頁)

摩擦在實際中具有很重要的意義。摩擦的害處主要是消耗大量有用的能源,使機器的運轉部件發熱,甚至燒燬,因而不得不進行冷卻。減少摩擦的主要方法是化滑動為滾動,例如在機器中儘量使用滾珠軸承,另外是變幹摩擦為溼摩擦,例如加潤滑油。

近年來已愈來愈多采用氣墊懸浮和磁懸浮的先進技術來減少摩擦。另一方面,在許多場合下摩擦是必要的。例如人的行走,任何車輛的開動與制動,機器的傳動(皮帶輪),絃樂器(二胡、提琴等)的演奏……,沒有摩擦或摩擦過小都不行,這時往往要想辦法增大摩擦,例如在鞋底和輪胎上弄上些花紋。

在失重狀態下懸浮在飛船艙內的宇航員,因完全受不到摩擦力,他們的那種奇妙感受,是我們這些平常人從來也沒有經歷過的。如果不事先把自己的身體固定在艙壁的某件東西上,當他想開抽屜時,不但抽屜未被拉開,自己反而被拉過去;當他想擰緊螺絲釘時,螺絲釘未被擰動,自己的身體反而朝反方向旋轉起來。

(4)摩擦力究竟是怎樣產生的呢?

從15~18世紀,科學家們提出了一種解釋摩擦本質的凹凸齧合說。這個理論認為摩擦是由於互相接觸的物體表面粗糙不平產生的。兩個物體接觸擠壓時,接觸面上很多凹凸部分就相互齧合。

如果一個物體沿接觸面滑動,兩個接觸面的凸起部分相碰撞,產生斷裂、摩損,就形成了對運動的阻礙。

圖3-27

繼凹凸齧合說之後,英國學者德薩左利厄斯於2023年提出了粘附說。他認為產生摩擦的真正原因在於接觸面間的分子力作用(圖3-27)。表面越光滑,接觸越緊密,分子力的影響就越大,因而摩擦力也就越大。

按照這種觀點,經過充分研磨的玻璃表面間的摩擦力將增大,與凹凸齧合說的推論相反。後來的實驗證明粘附說是合理的。

20世紀以來,隨著工業和技術的發展,對摩擦理論的研究進一步深入,到20世紀中期,誕生了新的摩擦粘附論。新的摩擦粘附論認為,兩個互相接觸的表面,無論做得多麼光滑,從原子尺度看還是粗糙的,有許多微小的凸起。把這樣的兩個表面放在一起,微凸起的頂部發生接觸,微凸起之外的部分接觸面間有10-8 m或更大的間隙。

這樣,接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個壓力很小,微凸起的頂部發生彈性形變;如果法向壓力較大,超過某一數值(每個凸起上約千分之幾牛頓),超過材料的彈性限度,微凸起的頂部便發生塑性形變,被壓成平頂(如圖所示),這時互相接觸的兩個物體之間距離變小,小到分子(原子)引力發生作用的範圍,於是,兩個緊壓著的接觸面上產生了原子性粘合。這時要使兩個彼此接觸的表面發生相對滑動,必須對其中的一個表面施加一個切向力,來克服原子(分子)間的引力,剪斷實際接觸區生成的接點,這就產生了摩擦。

為什麼對於兩個給定表面,滑動摩擦實際上與接觸表面面積的大小無關呢?新的摩擦粘附論認為,這是因為實際接觸面積是屬於原子尺度的,它只佔總的幾何接觸面積的一個極微小的部分,而摩擦力的出現是由於在原子接觸的這些微小區域內原子之間的相互作用力。原子接觸面積佔幾何接觸面積的比例,正比於法向力除以幾何接觸面積。

因此,當法向力增大一倍,原子接觸面積也增大一倍,摩擦力便增大一倍,這就是摩擦力正比於正壓力的原因。但是,如果幾何接觸面積增加一倍,而法向力保持不變,則原子接觸面積佔幾何接觸面積的比例減小一半,即原子接觸面積的實際面積不變,因而摩擦力也不變。

在現代摩擦理論中,還加進了靜電作用。光滑表面摩擦過程中可能帶上異號電荷,它們之間的靜電作用,也是摩擦力的一個原因。

綜上所述,摩擦現象的機理是複雜的,是必須在分子尺度內才能加以說明的。由於分子力的電磁本性,摩擦力說到底也是由電磁相互作用引起的。

上述理論,已經否定了「物體表面越光滑,摩擦力越小」的說法。在非常光滑的物體表面之間,摩擦力是存在的。我們在教學上經常使用的「表面光滑」的含意與此不同。

教學中所說的「表面光滑」,是指無摩擦或摩擦因數等於0的表面,即沒有摩擦力。這是教學上的一種約定。

(摘自人民教育出版社2023年6月第1版《全日制普通高階中學(必修)物理第一冊教師教學用書》第20頁

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