相互压紧且接触面粗糙的两物体(相互紧压的粗糙物体之间有相对滑动时才受滑动摩擦力)
- 作者: 彭宸
- 发布时间:2024-05-09
1、相互压紧且接触面粗糙的两物体
两物体之间若相互压紧且接触面粗糙,其接触区域将产生强烈的局部变形和摩擦。这种接触称为压紧接触,主要特征有:
变形和摩擦:接触区域内,机构产生明显的弹性或塑性变形,导致接触面之间产生摩擦力。摩擦力阻碍物体相对滑动,同时消耗能量,产生热量。
接触面积:由于变形,接触面不再为理想的光滑平面,而是形成局部凸起和凹陷,增大了实际接触面积。接触面积的增大增强了摩擦力。
接触应力:压紧力分布在接触区域上,产生局部应力集中,称为接触应力。接触应力的大小随接触面积和接触变形而变化。
压紧比:压紧比是实际接触面积与名义接触面积之比。压紧比越大,变形和摩擦越明显,接触应力也就越大。压紧比受材料的弹性模量、接触变形和压紧力等因素影响。
压紧接触在工程应用中广泛存在,例如:
齿轮传动中的齿轮接触
轴承中的滚动体与轨道接触
制动器中的摩擦片接触
头部螺钉中的螺纹接触
理解压紧接触的特性对于分析和设计这些系统非常重要,可以帮助优化性能、避免过早失效并延长使用寿命。
2、相互紧压的粗糙物体之间有相对滑动时才受滑动摩擦力
当两个粗糙物体相互紧压且相对滑动时,它们之间会产生一种阻碍运动的力,称为滑动摩擦力。滑动摩擦力的产生是由于两个物体表面存在不平整的凸起和凹陷。
当物体相对滑动时,这些凸起和凹陷会相互卡住并相互挤压,从而产生阻力。滑动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反,作用在与物体接触的表面上。
滑动摩擦力的产生需要满足两个条件:
1. 两个物体必须相互紧压,即在垂直于接触表面的方向上有足够的正向压力。
2. 两个物体必须相对滑动,即物体之间存在运动。
滑动摩擦力的特点:
1. 与正向压力成正比:正向压力越大,滑动摩擦力也越大。
2. 与接触面的粗糙程度成正比:接触面越粗糙,滑动摩擦力也越大。
3. 与物体材料的性质有关:不同材料的物体具有不同的摩擦系数,影响滑动摩擦力的大小。
4. 与滑动速度无关:只要物体保持相对滑动,滑动摩擦力的大小与滑动速度无关。
滑动摩擦力在我们的日常生活中有着广泛的应用,例如:
防止物体滑动:刹车系统通过利用滑动摩擦力来阻止车辆运动。
增加抓握力:轮胎表面的花纹可以增加与地面的滑动摩擦力,提高车辆的抓地力。
产生热量:由于滑动摩擦力会产生阻力,当物体相对滑动时,会产生热量。
3、相互接触的物体之间,压力增大,摩擦力不一定增大
在两个接触的物体之间,压力增加不一定意味着摩擦力也会随之增大。摩擦力的大小取决于接触面的性质、物体表面的粗糙程度以及作用在物体上的正压力。
接触面的性质会影响摩擦力。例如,橡胶与沥青的摩擦力通常比金属与金属的摩擦力大。这是因为橡胶具有较高的弹性,在接触时会变形,形成更大的接触面积,从而增加摩擦力。
物体表面的粗糙程度也会影响摩擦力。表面越粗糙,越能抓住对方,产生更大的摩擦力。例如,两个光滑的物体接触时,摩擦力很小,而两个粗糙的物体接触时,摩擦力会更大。
作用在物体上的正压力也会影响摩擦力。正压力越大,摩擦力也越大。这是因为正压力会增加接触面的单位面积上产生的压力,从而使得物体更难滑动或滚动。
因此,在两个接触的物体之间,压力增加不一定意味着摩擦力也会随之增大。只有当接触面的性质、物体表面的粗糙程度和正压力都同时发生变化时,摩擦力才会发生变化。
4、接触面粗糙程度不变时压力越大摩擦力越大
物体的接触面粗糙程度不变时,压力越大,摩擦力越大。这是因为当压力增大时,相接触的物体表面接触更加紧密,摩擦力与正压力成正比。
具体而言,摩擦力产生的机理是由于物体表面微观不平整导致的。当施加压力时,物体之间的接触面积会增加,进而接触点的数量也会增加。这些接触点会产生分子间作用力,形成静摩擦力或滑动摩擦力。
对于固体与固体的接触,摩擦力与正压力之间成正比关系,即摩擦力F与正压力N之间的关系为:
F = μN
其中,μ是摩擦系数,是一个常数。
当接触面粗糙程度不变时,摩擦系数μ保持不变。此时,摩擦力F与正压力N成正比,即压力越大,摩擦力越大。
这个原理在日常生活中有广泛的应用。例如,汽车轮胎与地面的摩擦力可以通过增加轮胎上的花纹来增大,从而提高汽车的抓地力和安全性。在工业生产中,通过控制接触面的压力和粗糙程度,可以调节摩擦力以达到不同的目的。