表面越光滑摩擦力越小 越光滑摩擦力越大还是越小( 二 )


摩擦系数必须通过实验测量 , 不能通过计算找到 。它一般小于1 , 但可非常接近零 , 还可取大于1的数 。
大多数固体材料之间的摩擦系数值在 0.3 和 0.6 之间 。超出此范围的值较少 , 但例如聚四氟乙烯——一种不粘锅涂层材料 , 其系数低于 0.04 。而石墨的摩擦系数甚至低至0.01——这决定了钥匙不好使时铅笔灰很管用 。但像硅橡胶或丙烯酸橡胶涂层表面的摩擦系数可远大于1 , 所以成为汽车轮胎的最爱 。
摩擦系数不是物质属性 , 因为它与温度 , 表面粗糙度等很多因素有关 , 所以摩擦系数实际上可看成一种系统属性 。并且实际上 , 摩擦系数并不是一个严格的恒定值 , 它与接触时间有关 。
因为物体接触面的啮合程度会随压力作用而改变 , 这种改变并不是瞬间完成 , 而是需要时间来完成 。如果压力在作用中途变化 , 接触面啮合程度也会变化 。因此严格来说 , 摩擦系数与压力及其作用时间都有关 。
设物体从零时刻开始接触 , 沿接触面切向的拉力随时间不断增加 , 但保持正压力不变 , 下图给出了这种情况下 , 某种材料之间的摩擦力随接触时间变化的情况 。

表面越光滑摩擦力越小 越光滑摩擦力越大还是越小

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因此 , 上节图2中的那个摩擦力随外力变化的简单关系图只是一种理想情况 , 实际情况并不是那么简单 。
不过 , 大多数理论计算只需考虑理想情况即可 , 即根据阿蒙顿第一定律 , 认为摩擦系数是恒定的 , 动摩擦力随着压力增加而线性增加 。
03
库伦模型的局限性
从微观尺度上看 , 之所以会产生固体摩擦力 , 是因为物体接触面是凹凸不平的 。如下图所示 , 体系间的实际接触面积只是表面积的一小部分 。
表面越光滑摩擦力越小 越光滑摩擦力越大还是越小

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如下图所示 , 接触面积随时间和压力的增加而增加 , 这会导致摩擦力增大 。
看到这里 , 是不是感觉摩擦力应该与接触面有关?要知道 , 接触面归根结底还是取决于正压力嘛!所以最大静摩擦力和动摩擦力仍然与正压力成正比 。
因此 , 在一般情况下 , 如果仅考虑压力作用足够长的时间以后的情况 , 由于摩擦系数已经稳定了 , 所以简单通用的库伦模型总是与实际符合的很好 。
但不说 , 既然库伦模型只是一个经验模型 , 它肯定不总是对的!也就是说 , 最大静摩擦力和动摩擦力与正压力之间并非严格的正比例关系 。
那么在什么情况下 , 库伦模型与实际偏差最厉害呢?
你想想 , 什么情况下 , 压力几乎没有 , 却存在很大的抵抗相对运动的力?
没错 , 胶布就是如此!因为有一种表面间的结合 , 导致摩擦力会很大 。所以表面间的结合若很明显 , 摩擦力与接触面的大小有关 , 接触面越大 , 摩擦力越大 。这当然不是库伦摩擦了 。
为了增大摩擦力 , 包装时要尽可能地在多个地方贴上胶布 , 就是这个道理 。
当然 , 一旦粘上去了 , 由于胶会排空接触处的空气 , 所以大气压会产生很大的压力 , 结合就更加牢靠了!
汽车贴膜 , 或者更典型的——手机的钢化膜就是通过胶来粘住的 。
表面越光滑摩擦力越小 越光滑摩擦力越大还是越小

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钢化膜上面使用了一种两面胶 , A面是OCA胶 , 俗称光学胶 , 其透光率极高(90%以上) , 且粘度大 。B面是硅胶 , 这种材料能通过物理上的范德华力和化学上的氢键作用吸附分离空气分子 , 所以它跟光滑平坦的物体表面贴合时 , 能自动排除气泡 , 让接触面形成真空状态 , 从而实现完美贴合 。
当然 , 结合不一定要通过胶的帮助 。例如下面这种情况 , 两块本来很轻但很硬的板叠在一起 , 假若它们接触面犬牙交错的对准并啮合 , 如下图所示 , 即使不加正压力 , 这个摩擦力也是很大的 。


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