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成败萧何话“摩擦”

2019-9-12 10:31| 发布者: weixin| 查看: 34| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: “摩擦”是理论力学教科书的重要一章,“摩擦”问题与机械运动密不可分。
  “摩擦”是理论力学教科书的重要一章,“摩擦”问题与机械运动密不可分。没有摩擦就没有任何机械运动,而摩擦往往造成机械运动失效,所以可以说,摩擦对机械设计和机械制造的成功与失败有决定性作用。历史故事告诉我们,由于萧何的大力推荐韩信才被刘邦重用,成就了他在创建大汉王朝中的丰功伟绩,也是因萧何出谋划策吕后(背后有刘邦)才得以诛杀韩信,一代名将落得个“狡兔死,走狗烹”的悲惨结局。所以,民间就有“成也萧何,败也萧何”一句俚语。相比之下,“摩擦”至于“机械运动”如同萧何至于韩信也,于是笔者写下如上题目。

  根据教科书,摩擦的定义是:“两个相互接触的物体,当有相对运动或相对运动趋势时,在接触面会产生彼此阻碍这个运动的阻力,称为摩擦力 (friction force)。”如若两个物体的相对运动是滑动,则为滑动摩擦力;若为滚动则是滚动摩擦力。当然,还有既含滑动又含滚动的复杂运动情况,可通称为摩擦力。

  自然界任何机械运动无不伴随着摩擦,人类步行时脚底要与地面发生摩擦,车辆行驶时轮轴要与轮毂发生摩擦,火车在路轨上飞驰车轮要与路轨摩擦,轮船在海里航行船舷与水流摩擦,飞机在空中飞行气流对机翼和机身进行摩擦;货物用传送带输送、月球车在月球上行驶、雪爬犁在雪原飞驰等等都有摩擦发生。摩擦力消耗能量,世界上一次能源大约有1/3消耗于摩擦。摩擦学的研究,旨在减少工业生产中的能耗,提高效率和经济效益。如果能够减少无用的摩擦消耗,便可大量节省能源。另外,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废的,如果能控制和减少磨损,则既减少设备维修次数和费用,又能节省制造零件及其所需材料的费用。当今世界上具有最小摩擦的机车是磁悬浮列车,因它悬浮离开路轨,没有接触摩擦发生,只有空气阻力,能耗很少。

  为了减小摩擦力,自古人类就聪明地发明了减小摩擦阻力的办法。例如在冬天将路面泼水结冰使重物在冰面上滑行;驾驭牛车的老农用黏稠的机油润滑老旧的车轴。现代汽车、火车的发动机及飞机引擎都有自动润滑系统。润滑油的质量越来越高;可是一些不法汽车维修部使用劣质润滑油,导致发动机因润滑不良而摩擦损坏的事件时有发生。更有甚者,摩擦会造成重大交通事故。长距离下坡车辆的刹车片因摩擦生热导致制动失灵,发生车毁人亡的事故屡见不鲜。现在,建设高速铁路的热潮方兴未艾,但是高铁事故应该引起警惕。震惊世界的德国高铁事故主要是摩擦和疲劳共同作用造成的。

  1998年6月3日早上10:59分,德国高铁ICE 884号列车行经接近艾须得路桥时以每小时200公里的速度行驶,突然出轨,第三节车厢撞击艾须得路桥右侧第一根梁柱,路桥坍塌后造成后方车厢相继撞上,共造成101人死亡,一百多人受伤,是德国高速铁路史上最惨痛的事故。事故分析指出,这次事故的始作俑者是由于为了减小行驶中的振动,增加乘客的舒适感,车轮制成多层复合结构。结果,外圈轮毂与内层轮盘发生摩擦导致外环轮圈疲劳破坏,随后发生车厢出轨、撞上大桥的梁柱等一系列后续事故,才造成200余人伤亡。图1是德国高铁ICE 884号列车事故照片。
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  图1 1998年6月3日德国高铁事故照片

  由上所述,似乎摩擦对于机械运动有百害而无一利。可是,摩擦对于机械运动又是须臾不能离开的。没有摩擦就没有任何机械运动,若无摩擦行人走路一步也迈不出去,若无摩擦用手拿玻璃水杯也拿不起来,若无摩擦千斤顶连千分之一克的重量也支不起来。没有摩擦汽车只能原地打滑,在下雪天,路面光滑刹车不灵时每每造成许多车辆追尾、侧翻等事故,这时交管部门要在雪地上撒渣土,以增加地面摩擦。冬天雪地路面开车要有备用轮胎防滑带,以防打滑。图2是旧轮胎汽车在冰上打滑无法行驶和给轮胎加装防滑带的照片。短跑运动员和足球运动员的鞋底要带鞋钉,以增加鞋底和地面的摩擦,增加脚踏地面的反作用力;图3是新旧运动鞋的鞋底的对比,请问当赛跑时或进行拔河比赛时应该穿哪双鞋?古代人类祖先聪明地发现摩擦生热现象,发明了钻木取火的技能;后来的火柴也是离不开摩擦生热的原理的。可见摩擦与人类文明发祥还有不解之缘呢。
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  图2 旧轮胎汽车打滑(左),给轮胎加装防滑带增加摩擦力(右)

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  图3 新旧运动鞋的鞋底的对比

  由于摩擦如此重要,伟大的法国力学家库仑 (A.Coulomb) 于1781年发表了他的研究成果:库仑摩擦定律 (Coulomb Law Of Friction)。最大(静)摩擦力和两物体接触正压力成正比,方向与运动趋势的方向相反;即:
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  其中,Fmax 是最大摩擦力,fn 为摩擦系数,FN 是两个接触面之间的正压力。静摩擦力F 恒大于零,小于最大静摩擦力:0≤FFmax。


  图4是大力士拉汽车比赛照片。如果拉力小于最大摩擦力Fmax 时,汽车纹丝不动;只当拉力大于最大摩擦力时,汽车才能由静止状态开始运动,汽车才能前进。
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  图4 大力士拉动卡车

  当作用力FP 小于最大静摩擦力Fmax 时,物体静止不动,成为自锁。图5是摩擦角和自锁分析的示意图。图中G 为物体重量,FN 是物体与支持面间的法向正压力;FR 为法向正应力和摩擦力Fmax 的合力。简单几何运算可得摩擦角ao 等于:
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  可见摩擦角的正切等于摩擦系数,摩擦系数越大摩擦角越大。千斤顶的螺旋角一定要小于摩擦角才满足自锁条件。另外, 登梯子爬高时,梯子的斜度一定要满足摩擦的自锁条件,否则梯子将滑倒,将人摔下来。
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  图5 摩擦角和自锁示意图

  近代高科技机械中,很多情况(如航天器)不能采用润滑油或润滑脂润滑,科技人员研究发明了固体润滑 (solid lubricant);这类固体润滑剂种类很多,最重要的是石墨、二硫化钼和滑石粉。固体润滑剂的粒子有晶体层格结构,可能互相滑过而发生润滑作用。有些负荷重、温度高的机械摩擦部分,如重轴承等需用此类固体润滑剂。

  摩擦学是研究摩擦、润滑和磨损的一门重要学科,和表面、界面科学技术密切相关。近来在纳米摩擦学、薄膜润滑、表面薄膜制备与应用、轴承转子系统动力学及故障诊断,以及微机械学等领域开展了深入系统的研究,并有可喜进展。

  来源:力学园地,作者:张双寅。

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