1、摩擦力的有关知识摩擦力的有关知识自行车与摩擦力自行车是人们最常用到的交通工具之一,可是你知道自行车上有哪些地方涉及到摩擦力知识吗? 一、车轮与摩擦力自行车也和其它车辆一样,是靠车轮与地面的摩擦力前进的。当我们骑在自行车上时,由于人和自行车对地面有压力,轮胎和地面之间不光滑,因此自行车与路面之间有摩擦,不过,要问自行车为何能前进?这还是依靠后轮与地面之间的摩擦而产生的,这个摩擦力的方向是向前的。那前轮的摩擦力是干什么的?阻碍车的运动!其方向与自行车前进方向相反。正是这两个力大小相等,方向相反,所以自行车作匀速运动。不过,当人们在地上推自行车前进时,前轮和后轮的摩擦力方向都向后。那谁和这两个力平衡
2、呢?脚对地面的摩擦力向前!二、刹车装置与摩擦力制动装置(刹车)在自行车中有着十分重要的作用。刹车不灵而导致的交通事故屡见不鲜,自行车是采用什么方法来制动的呢?自行车的刹车是利用摩擦力使自行车减速和停止前进。当我们使用刹车时,刹皮与车轮间的摩擦力,使车轮停止运动或速度减小,车轮与地面间的摩擦力由滚动摩擦变成滑动摩擦,强大的滑动摩擦力方向与自行车前进方向相反,使自行车迅速减速(或迅速停止运动)。三、外胎与摩擦力自行车外胎上有凸凹不平的花纹,可以增大自行车与地面间的粗糙程度,来增大摩擦力,防止自行车打滑。急刹车时,滑动摩擦力对车辆外胎磨损十分大,若使轮子总处于滚动,而不滑动时,则可避免对车轮磨损。因
3、此可设想在自行车上另设置一刹车备用(可金属、橡胶),平时运动时,刹盘提起脱离地面,刹车时,将刹盘按下与地面接触,使刹盘在地面滑动,产生滑动摩擦力,使车辆迅速减速直至停止,避免自行车外胎磨损。四、钢珠与摩擦力自行车应当骑起来越轻松、越灵活才越好、越省力,所以在自行车转动的地方,中轴、后轴、车把转动处,脚蹬转动处、飞轮等地方,都安有钢珠。转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力,保护零件,节省动力,因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多,用滚动来代替滑动可以大大减小摩擦,并经常加润滑油,使接触面彼此离开,摩擦变得更小、更省力。除此之外,在自行车的车把和脚踏板也有花纹,这也是为的增大摩擦力,使人能够很好的把握方向和让
4、自行车顺利前进。摩擦的现象:1车的前轴、中轴、后轴上装有滚动轴承及润滑油,车轮是圆形的,是为了减少摩擦。2车外胎、把手塑料套和脚踏板上都刻有花纹,车的把手上有凹槽,是为了增大接触面的粗糙程度来增大摩擦。3若车铃不响,是因为轴与齿轮之间的咬合部分太涩了,加几滴油润滑,减小摩擦。4车把的塑料套紧套在车把套上,是为了增大与车把套的压力来增大摩擦。5刹车时,应用力捏车闸,是为了增大压力来增大摩擦。6旋紧自行车各种紧固螺丝,是为了增大压力来增大摩擦。7自行车的前轮为从动轮,摩擦力的方向向后,与运动的方向相反。后轮为主动轮,摩擦力的方向向前,与车运动的方向相同。紧急刹车时,轮子与地面的摩擦属于滚动摩擦。世
5、界上如果没有了摩擦力会变成什么样?摩擦是一种极为普遍的现象,摩擦在实际生活中的例子也很多,如抓住物体需要摩擦,皮带传动需要摩擦,铁钉固定在墙上也要靠摩擦等等。但摩擦也会给我们的日常生活带来麻烦。例如:机器开动时,滑动部件之间因摩擦而浪费动力,还会使机器的部件磨损,缩短寿命。我们有时希望地球上从来就没有摩擦力,但如果真的没有摩擦力,人们的生活又会发生什么样的变化呢? 首先,也是最基本的,我们无法行动,脚与地面没有了摩擦,人们简直寸步难行。自行车车轮与地面间光滑,怎么才能开动呢?汽车还没发动就打滑,要么就是车子开起来了就停不下来,没有阻碍它运动的力,就只能无限滑下去最后与其它车相撞造成一起又一起的
6、交通事故。飞机无论是活塞发动机或者涡轮喷气发动机都无法启动。第二,我们无法拿起任何东西,我们能拿东西靠的就是摩擦力,摩擦力来自于物体本身的凹凸和我们手上的指纹,这下好,物体光滑,我们也没有了指纹,想拿东西却和它作用不上,只能干着急,不仅拿不起东西,拧盖子扭把手,一系列的力的作用都无法进行;生活处处困难重重。想写字却拿不起笔,笔又不能和纸产生摩擦写字,想吃饭碗筷却拿不住,筷子怎么也夹不住菜,想喝水又提不起杯子;想穿衣服却拿不起穿不上;想工作劳动,但任何工具都一次次从手上滑落这样的话,人安会多么无助。如果没有了摩擦,那么以后我们就再也不能够欣赏美妙的用小提琴演奏的音乐等,因为弓和弦的摩擦产生振动才
7、发出了声音。总之,假如没有摩擦的存在,那么人们的衣、食、住、行都很难解决。如果衣食住行、学习、生活、工作、劳动等所有方面人们都因拿不起东西这个小小的因素困扰,人们还怎么有最基本的生存,更别提发展了。有资料说,某国家已研制出所谓的“超润滑材料”,可将它用到军事上,一旦战争暴发,将这种超润滑材料洒到对方的公路上、铁路的铁轨上和飞机起飞的跑道上,使对方的战车、运兵车、火车无法运行,军用物资无法运送;飞机不能起飞,失去制空权用以谋求战争的胜利,这种超润滑材料所起的作用还真有点战略意义呢!我们可能幻想过如果没有摩擦,干什么事情都将不会有阻力,可等我们真正到了没有摩擦力的世界,才感受到摩擦力的重要。摩擦力
8、有利也有蔽,我们应该尽量减少那些有害摩擦,学会利用摩擦造福人类。消除对摩擦力理解错误观念摩擦力分滑动摩擦力和静摩擦力。解题时首先要弄清是哪一种摩擦力,它有何特点。滑动摩擦力是一个物体在另一个物体表面滑动时所产生的摩擦力。这时相互接触的两个物体之间产生了相对运动,而摩擦力表现为阻碍相对运动,故滑动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度及两接触面之间的正压力大小有关。静摩擦力是相互接触的两个物体之间没有发生相对运动,但有相对运动的趋势时产生的。静摩擦力表现为阻碍相对运动趋势,所以静摩擦力的方向与相对运动趋势的方向相反。在学习摩擦力的过程中,容易形成以下错误观念。一
9、、摩擦力的方向与物体的运动方向相反例1 如图1,物块A随传送带一起运动,当传送带分别处于图示的运动状态时,试画出物块A的受力示意图。分析:图1甲、丙、丁中,物体所受摩擦力为静摩擦力,其方向跟相对运动趋势的方向相反,而跟物体运动的方向关系表现为:甲、丙相同,丁相反。图乙中,因物块A与传送带之间没有相对运动的趋势,所以不存在摩擦力(尽管物体在运动)。受力情况分别对应如图2:二、滑动摩擦力的方向与拉力的方向相反例1 如图3,物体A在拉力F的作用下沿水平面匀速运动,试画出物体A的受力示意图。分析:此题易作出如图4所示的错误受力分析图。摩擦力的方向应沿着接触面的方向,而与拉力方向无关。正确的受力分析如图
10、5所示。例2 重为10N的物块在4N水平向右的拉力作用下,沿水平面匀速运动,运动中的物块受到的合力是_N;若将水平拉力突然改为水平向左,大小减为3N,则此刻物块受到的合力为_N。分析:开始时物块匀速运动,所以物块所受合力为零。当拉力突然改为水平向左时,物块由于惯性仍然向右运动,物块所受摩擦力的方向仍然水平向左且大小不变,所以物块所受合力为7N,方向水平向左。例3 如图7所示,物体A被传送带由低处向高处匀速输送过程中,受到的摩擦力的方向为()图7A沿传送带斜面向下B沿传送带斜面向上C不受摩擦力D无法确定分析:同学们往往以为摩擦力一定是阻力,而阻力肯定是阻碍物体运动的力。本题中把A相对于地面的运动
11、当作了相对于传送带表面的运动,从而认为物体A斜向上运动,则它受到的摩擦力必沿传送带斜面向下,故错选A。解:物体A斜向上的运动过程中,它相对于传送带是静止的,由于传送带倾斜,使得物体A具有沿传送带斜向下运动的趋势,根据摩擦力方向的规定,可知应选B。从另一角度来说,物体A被倾斜的传送带由低向高输送,说明物体A必受到一个倾斜向上的摩擦力,而使其随传送带由低向高运动,此时,摩擦力的方向与物体的实际运动方向一致。应选B。例4 如图8所示,在一条水平的传送带上放着一个物体A,物体A随着传送带一起向右做匀速运动,则此时物体A受到传送带对它的摩擦力为()图8A水平向右B水平向左C不受摩擦力D受到静摩擦力分析:
12、许多同学容易把物体A随传送带向右运动当作是物体A在传送带上向右滑动而误选B;还有人认为物体A相对于传送带表面的相对位置没有改变,误认为物体运动必受到一个静摩擦力的作用,故错选D。解:应用平衡力知识来分析。如果物体A与传送带之间存在摩擦力,那么这个力必在水平方向上,或水平向右,或水平向左。由于物体A做匀速运动,如果受到一个向右(或向左)的摩擦力,则必有一个向左(或向右)的力与之平衡。显然题中并不存在这样一个力,故物体A与传送带之间不存在摩擦力,物体A的运动是由于物体具有惯性。故应选C。三、摩擦力随拉力的增大而增大例1 木块重20N,在3N水平向右的拉力作用下,沿水平桌面做匀速直线运动,木块受到的
13、摩擦力为_ N;当水平拉力增大为5N时,木块受到的摩擦力为_N。分析当拉力为3N时,木块做匀速直线运动,由力的平衡知识,滑动摩擦力的大小也为3N,方向水平向左。当拉力增大为5N时,由于支持力大小、接触面均不变,故滑动摩擦力的大小、方向均不变。当然此时木块不能再匀速运动了。例2 重为100N的木箱放在水平地面上,用5N的水平力推,木箱不动,此时木箱所受摩擦阻力为_;改用8N的水平力推,木箱仍不动,此时木箱所受摩擦阻力为_。分析:在题述的两种情况中,木箱均静止,由力的平衡知识,应分别填“5N”、“8N”。四、拉力大小不影响滑动摩擦力的大小例 用同样大小的作用力F,分别以如图9所示的方式依次作用在同
14、一木箱A上,使木箱向右运动,其中滑动摩擦力最小的是( )图9A甲图B乙图C丙图D摩擦力都相同分析:滑动摩擦力的大小由压力的大小和接触面的粗糙程度决定。当给物体施加拉力时,有时会改变接触面之间压力的大小,这将导致滑动摩擦力的大小改变。图9中,由于拉力的作用,乙图的压力最大,丙图的压力最小,故丙图的摩擦力最小,选(C)。五、摩擦力是运动物体的阻力造成这种错误认识的根本原因在于把“阻碍物体的相对运动”与“阻碍物体的运动”相混淆了。从力的作用效果上看,摩擦力总是阻碍物体的相对运动,但它可以成为动力也可以成为阻力,视具体情况而定。比如前面谈到的人拉着小车在水平公路上行驶时,小车受到的摩擦力是阻力,它阻碍
15、了小车向前运动;但传送带上的货物却正是在摩擦力的作用下,才由低处被运输到高处的,是动力,同时这个力又阻碍了货物相对于传送带的向下滑动。六、静止的物体不受摩擦力,运动的物体一定受摩擦力物体是否受摩擦力,与物体处于静止状态或运动状态没有直接的关系。关键是看物体相对于与其接触的物体是否有相对运动或有相对运动的趋势。例 如图10,放在斜面上静止的物体是否受摩擦力?图10分析:放在斜面上静止的物体,在自身重力的作用下有相对于斜面下滑的趋势,所以受到斜面给它的一个沿斜面向上的摩擦力。假定物体不受摩擦力,物体必然在重力的作用下沿斜面向下运动,而不再处于静止状态。七、力越大,摩擦力越大例 小李手握住一个瓶口朝
16、上的瓶子保持竖直方向静止在空中,而且不断增大手的握力。他说,根据在接触面的粗糙程度相同时,压力越大,摩擦力越大,得出:瓶子受到的摩擦力变大。分析:错误的原因在于,对滑动摩擦力和静摩擦力大小的决定因素理解不清。由于瓶子与手之间是静摩擦。且瓶子静止在空中,瓶子处于平衡状态,应受平衡力作用,所以在竖直方向除受重力之外还受一个竖直向上的摩擦力作用,且摩擦力的大小与重力大小相等,由于瓶子的重力大小不变,所以尽管手的握力增大但摩擦力大小不变。八、接触面越粗糙,摩擦力越大例 甲、乙两辆小车,甲在砂石路面上、乙在水泥路面上分别做匀速运动,问甲、乙两个小车哪一个受到的摩擦力大?分析:许多人会不假思索地说:因砂石
17、路面比水泥路面粗糙,所以甲受到的摩擦力大于乙受到的摩擦力。这是对决定摩擦力大小因素的片面理解。解:滑动和滚动摩擦力的大小不仅跟接触面的粗糙程度有关,还跟压力大小有关,且只有压力一定时,触面越粗糙,摩擦力才越大,所以本题中无法确定甲、乙两个小车哪一个受到的摩擦力大。摩擦的功和过人的衣、食、住、行,都离不开摩擦。可以说,没有摩擦,人类将无法生存。但是,摩擦在很多地方是有害的。走路会磨破鞋底;车轮行驶会磨平轮胎;机器零件的磨损,会降低机器的效率,缩短使用寿命;测量工具的磨损会影响精度。据估计,世界上各种动力系统有一半以上的能量是在摩擦中损耗的。仅美国由于摩擦而造成的损失,估计每年为一千亿美元,其中两
18、百亿美元为材料费。人们为了与摩擦作斗争,想了不少办法。譬如,使用车轮和滚珠轴承,以滚动摩擦代替滑动摩擦;在机器中使用润滑油,将固体表面的直接摩擦变成零件表面与润滑物质间的摩擦。随着科学技术的发展,到本世纪60年代,出现了一门新兴的边缘学科摩擦学。如果能从摩擦学的角度合理设计转轴、齿轮和轴承等部件,科学地处理摩擦磨损与润滑的关系,就能大大节约动力,延长机器的使用寿命。至于在交通运输、起重装卸等行业中,摩擦学理论的应用就更多了。1966年,英国有一篇报告说,如能全面运用现有的摩擦学知识,至少可以使英国每年节约515000000英磅。这个数字够大了。摩擦力排队摩擦家族里有三兄弟静摩擦、滑动摩擦和滚动
19、摩擦。一天,这三兄弟突然接到“上级”通知,要求它们按力的大小排好队,准备给它们发“身份证”。说来也奇怪,原来这三兄弟只知道同属一个家族,但从不知道谁是兄谁是弟,即不明确谁大谁小。接到通知后,三者便好奇地议论起来。议论过程中,静摩擦和滑动摩擦首先争当老大,滚动摩擦却坚持它起码排老二,谁也不愿当老三。议论由心平气和地协商很快发展到激烈的争辩,但谁为兄长谁为小弟却难以定论。争论惊动了近邻压力,压力使自告奋勇信心十足地充当它们的裁判。它首先耐心地听取了摩擦三兄弟的陈述,然后理直气壮地宣布:“你们不要盲目地争斗了,你们的队不好排。如若不听我的话把我气走了,你们谁也活不成!”于是一场激战就此平息了。聪明的
20、读者,压力裁决得正确吗?摩擦三兄弟的队为什么不好排?离开了压力,摩擦力真的“活”不成吗?答案:一是静摩擦力是个变力,它可以很大(大于滑动摩擦力),也可以很小(小于滚动摩擦),所以摩擦三兄弟的队不好排。二是压力和摩擦力之间存在着制约关系,压力不存在的地方,摩擦力是不会产生的,有摩擦力的地方必定存在压力。摩擦力产生的原因摩擦力产生的原因,即摩擦力的本质是什么?早在15世纪初开始研究摩擦现象时,人们就在探索这个问题了。摩擦力产生在两个接触表面之间。我们用肉眼看到的光滑固体表面,当用放大镜观察时,就会发现其表面是凸凹不平的,好像布满了高峰山谷一般。经过车床加工的金属表面,峰高可达5微米;再经过仔细研磨
21、,峰高可以减至01微米。但这相对于原子尺度仍然是很大的。因此,当两个物体相互接触时,真正接触的只是物体表面的峰丘。在这些真正接触的区域内,两个接触表面的原子非常接近,原子之间具有非常强的相互作用力。在接触点以外的其他区域,两物体表面的原子之间的距离比较大,从几埃到几十埃(1埃106厘米)。这些原子之间的相互作用力比较弱,与真正接触区域相比可以忽略不计。而接触区域的面积之和要比物体表观面积小得多。当两个接触面发生相对滑动的时候,势必要以剪切的方式破坏原来所有的接触点,使两个接触表面的凸起部分相碰撞而产生断裂、磨损,从而形成了对物体运动的阻障。平行于接触表面而使接触点破坏所需要的剪切力,就等于摩擦
22、力。两物体表面开始接触时是一种点接触。在法向正压力的作用下。这些接触点的负荷很大,会使相接触的凸起部分产生弹塑性形变,从而使接触面积增大。坚硬的材料使其产生这种形变比较困难,即产生等量的形变需要更大的负荷。所以,两个物体表面真正相接触的面积大小,与所施加的法向正压力成正比,与相接触材料的硬度成反比。摩擦系数等于摩擦力f与法向正压力N的比值,即fN。摩擦系数同两个物体的表视接触面积和滑动速度等因素无关。实验结果证明,对于一般机械加工的表面,摩擦系数同物体的表面粗糙程度无关;对于很粗糙的表面,因接触面凸与凹部分交错啮合,会使摩擦系数增大;对于非常光滑的表面,尤其是特别清洁的表面,由于真正接触面积增
23、大和接触点粘结强度提高,所以摩擦系数也会增大。表面越光洁,摩擦系数的值也越大,这同人们一般的常识不同。摩擦在汽车行驶中的作用要弄明白摩擦力在汽车行驶中的作用,首先要对汽车的结构有个基本的了解。汽车的车头和车箱是通过四个车轮支承在路面上的,在车轮与路面的接触处存在着摩擦力,但前后轮的摩擦力所起的作用是不同的。发动机曲轴的转动通过纵轴、万向节和齿轮箱传递给后轮,它使后轮顺时针方向转动(图56)。如果后轮与路面间无摩擦力的话,就如同后轮被悬空托起,发动机只是空转而不产生前进的动力;如果后轮与路面间有摩擦力存在,由车轮着地点与路面间的相对运动趋势可知,摩擦力f是向前的,它对轮轴心产生逆时针方向的转矩,
24、此转矩就是发动机的负载。所以所谓汽车的牵引力,实质就是路面对后轮的摩擦力,因此后轮是驱动轮。路面对前轮的摩擦力f又起什么作用呢?由于前轮本身虽没有转矩,却还有轴承内部摩擦阻力矩。如果不存在摩擦力f,则前轮只能跟着车箱向前滑行;正是因为有向后的摩擦力f才使前轮转动起来。f虽然是前进的阻力,但它的大小是由轴承内部的阻力矩决定的,它的存在使前轮避免了拖滑式的磨损。尤其是当前轮碰到石子等障碍物时(图57),摩擦力f将起着使车轮向上越过障碍物的作用。汽车在正常行驶中,车轮与路面之间的摩擦是静摩擦,车轮的着地点相对地面的瞬时速度为零。但在刹车制动过程中,车轮轴被摩擦片紧紧地抱住而不能转动,汽车由于惯性而继
25、续向前滑行,这时路面对前、后轮的摩擦力都将变成向后的阻力,有利于快速停车。综上所述,无论是从汽车的正常行驶或快速制动的角度来看,路面对车轮的摩擦力都是有益的。皮带传动过程中摩擦力的分析在皮带传动中,皮带和皮带轮之间的摩擦力小了,皮带就会在皮带轮上打滑,不能带动机器正常运转,遇到这种情况可以紧紧皮带,增大皮带对皮带轮的压力,来增大皮带与皮带轮之间的摩擦力。下面我们讨论两种皮带传动方式,从分析摩擦力入手,看看哪种传动方式好。(1)如图58所示的传动方式。主动轮逆时针转动,因要求传动过程中皮带不打滑,皮带和皮带轮之间的摩擦力是静摩擦力,静摩擦力的方向与皮带相对于皮带轮的运动趋势方向相反。这时的“相对
26、运动趋势方向”是假设皮带和皮带轮之间不存在摩擦力时,皮带相对于皮带轮的运动方向。现在已知主动轮是逆时针转动的,因而皮带相对于皮带轮的相对运动趋势方向是顺时针的,由此可以断定主动轮作用在皮带上的静摩擦力的方向是逆时针的。在静摩擦力作用下,皮带逆时针转动。对于右面的从动轮来说,作用在皮带上的静摩擦力方向是顺时针的。皮带在两个皮带轮静摩擦力作用下,轮上方的皮带呈拉紧状态,轮下方的皮带是松弛状态,因而皮带包围每个皮带轮的包角都小于。(2)如图59所示的传动方式。它与第一种传动方式不同的是,主动轮和从动轮交换了位置,主动轮的转动方向仍然是逆时针的。根据同样的道理,可以得知主动轮作用在皮带上的摩擦力是逆时
27、针方向的,从动轮作用在皮带上的摩擦力是顺时针方向的。这种传动方式的特点是:轮上方的皮带是松弛状态,轮下方的皮带是拉紧状态。因而皮带包围皮带轮的包角都大于。在皮带传动过程中,包角越大,则皮带与皮带轮之间的摩擦力也越大。这样可以保证在传动过程中皮带不打滑,提高皮带传动效率,减少能量损失,根据分析可知,第二种传动方式要比第一种传动方式好。“滚动摩擦比滑动摩擦小”的含义为了弄清楚这一问题,首先要对滚动摩擦有个正确的理解。滚动摩擦是一个物体在另一个物体上滚动时,物体所受到的对滚动的阻碍作用。滚动摩擦实际上是一种阻碍滚动的力偶矩。如图510所示,当一个物体在平面上滚动时,物体除了受到重力G、弹力N外,在接
28、触处还受到摩擦力f作用。重力G与弹力N组成一个力偶,其力偶矩MN这个力偶矩的方向与物体转动的角速度相反,对转动起阻碍作用,这就是所谓的滚动摩擦力偶矩,它阻碍物体的滚动。摩擦力f对质心C产生的力矩fR和转动角速度方向一致,它不阻碍物体的转动,而是推动物体滚动。滚动摩擦的产生是由于物体和平面接触处的形变引起的。物体受重力作用而压入支承面,同时本身也受压缩而变形,因而在向前滚动时,接触前方的支承面隆起,这使得支承面对物体的弹力N的作用点从最低点向前移,所以弹力N与重力G不在一条直线上,而形成了一个阻碍滚动的力偶矩,这就是滚动摩擦。滚动摩擦的大小用力偶矩来量度,且与正压力成正比,比例系数叫做滚动摩擦系数,它在数值上相当于弹力对于滚动物体质心的力臂,因此它具有长度的量纲;它跟滚动物体和支承面的材料、硬度及物体的半径等因素有关。既然滚动摩擦的大小是由滚动摩擦力偶矩决定的,所以对“滚动摩擦比滑动摩擦小”,我们不能理解为滚动摩擦力矩比滑动摩擦力小,因为力矩跟力是无法比较大小的,也不能说:“滚动摩擦力比滑动摩擦力小”,因为并不存在一个“滚动摩擦力”。一般我们所说的“滚动摩擦比滑动摩擦小”,指的是在其他条件相同的情况下,克服滚动摩擦力矩使物体运动需要的力比克服滑动摩擦力所需要的力小得多。
copyright@ 2008-2022 冰豆网网站版权所有
经营许可证编号:鄂ICP备2022015515号-1