理论力学 教学课件 作者 肖明葵 第6章 摩 擦.ppt

摩擦是一种普遍存在的自然现象。在日常生活和工程实际中，摩擦现象随处可见。人们通过实践，不仅理解到摩擦的存在，而且逐步掌握了摩擦现象的本质和规律，从而能动地使其为人类服务。同一切事物一样，摩擦具有两重性，它既有利也有弊。 一方面，摩擦是人们生活和生产中所不可缺少的，它对物体的平衡和运动起着重要的作用，人们利用摩擦为自己服务，这是有利的一面。 例如：人利用鞋底与地面的摩擦行走；车辆利用车轮与地面的摩擦前行；机器依靠皮带与轮子的摩擦运转；胶带运输机利用摩擦来送料；飞机、汽车、火车依靠摩擦力制动；承受动力荷载的钢结构连接件——摩擦型高强螺栓依靠摩擦传递动力；水库的重力坝依靠摩擦力防止坝体滑动(图6.1)；挡土墙依靠摩擦阻止墙体的滑动；在软土地基上建房屋时，要在地基上打摩擦桩，依靠桩身表面与土体之间的摩擦来支撑房屋的重量(图6.2)。 摩擦也有不利的一面。例如：摩擦给各种运动的机械带来阻力，使机器发热，引起其零部件磨损，从而消耗能量，降低效率和使用寿命，影响机器的正常使用。据估算，世界上大约有三分之一的能源消耗在各种不同形式的摩擦上。 因此，我们必须研究摩擦现象及其力学原理，掌握其规律，尽量充分利用摩擦有利的一面为人类服务，同时尽量避免摩擦有害的一面，限制它的消极作用，延长机器设备的使用寿命，提高生产效率。 摩擦的机理比较复杂。摩擦力来源于两个接触表面之间相互的力学作用。目前一般认为，产生摩擦的主要原因有以下两个：(1)接触面的凸凹不平；(2)两接触面的分子之间的作用力。两凸凹不平的接触面积，在法向压力作用下，它们互相挤压与啮合，使得相对滑动受到阻碍，法向压力越大，接触面越粗糙，这种阻碍也越大。当两接触面非常光滑，分子之间的距离很小时，则分子之间的相互作用力阻碍着物体间的相对滑动，这种阻碍与法向压力无关，而与实际接触面积的大小有关。本书涉及一般工程问题，其接触面比较粗糙，此时分子间的这种作用可忽略不计。 摩擦可按不同的情况进行分类。根据两物体接触表面之间的相对运动形式的不同情况，摩擦可以分为滑动摩擦和滚动摩阻两类。滑动摩擦是指两物体接触表面有相对滑动或有相对滑动趋势时在两个物体接触表面上产生的摩擦。按两物体接触表面有无相对运动，滑动摩擦又可分为静滑动摩擦和动滑动摩擦两种。 静滑动摩擦是两物体接触表面只有相对滑动趋势而无相对滑动时所产生的摩擦。例如，物体停留在斜面上时所产生的摩擦。动滑动摩擦是两物体接触表面有相对滑动时所产生的摩擦。例如，汽车刹车时，车轮与地面之间产生的摩擦。滚动摩阻(简称滚阻)是两物体接触表面有相对滚动或相对滚动趋势时在两个物体接触表面上所产生的摩擦。例如，车轮在地面上滚动时所产生的滚动摩阻。 根据两物体接触表面润滑情况的不同，又可将摩擦分为干摩擦、湿摩擦和液体摩擦三类。干摩擦是指两物体间没有润滑剂，由两固体表面直接接触产生的摩擦(图6.3 a)。例如，摩擦桩打入地下时与土壤的摩擦，汽车刹车时车轮与地面的摩擦，夹具与工件的摩擦等都是干摩擦。当两物体间有足够的润滑剂时，两固体表面被液体完全分开，在液体与液体或液体与固体之间的摩擦称为液体摩擦(图6.3 b)。液体摩擦是液体内部产生的摩擦。但当两物体间无足够的润滑剂时，固体表面将部分直接接触，这种处于介于干摩擦和液体摩擦之间的摩擦称为湿摩擦(图6.3 c)。例如，加有润滑油的轴承和轴间的摩擦。 本章只限于讨论干摩擦，根据摩擦的古典理论，重点介绍滑动摩擦力的性质以及有滑动摩擦时物体平衡问题的解法，而对于滚动摩阻仅作简单介绍。 当两个物体的接触表面有相对滑动或相对滑动趋势时，沿接触面产生的彼此阻碍相对滑动的阻力，称为滑动摩擦力。滑动摩擦力分别作用于两个物体的接触面上，其方向与物体相对滑动或相对滑动趋势方向相反，其大小与物体所处的状态及受力情况有关。 1．静滑动摩擦力和静滑动摩擦定律 我们可以用一个摩擦实验来说明静滑动摩擦力的性质。在固定水平粗糙面上放置一重为G 的物块，通过一跨过滑轮的绳与盛有砝码的盘子相连，如图6.4a所示。物块平衡时绳子对物块的水平拉力之值应与砝码和盘的重量相等。水平拉力FT的大小随砝码重量由零逐渐增加而增加。 实验表明，只要拉力FT的值不超过某一限值，则物体虽有向右滑动的趋势但却仍然处于静止状态。 可见，支承面对于物体除作用有沿支承面法线方向的约束力FN外，在接触面上还有一个阻碍物体沿支承面向右滑动的力Ff存在，如图6.4b所示。