有趣的動摩擦因數

韋娟

摘 要：動摩擦因數是中學物理中一個沒有單位的比值，動摩擦因數又稱之為動摩擦系數，物理學上用一個希臘字母μ表示，不同材料間物體的動摩擦因數不同，決定動摩擦因數大小的是接觸面的材料和粗糙程度以及接觸面間的溫度等情況，動摩擦因數大小可以大于1。

關鍵詞：動摩擦因數；粗糙度；溫度；表面分子結構

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）5-0062-2

動摩擦因數又稱之為動摩擦系數，物理學上用一個希臘字母μ表示，這個值是彼此接觸的兩個物體做相對運動時滑動摩擦力和正壓力之間的比值。不同材料物體間的動摩擦因數不同，物體越粗糙，動摩擦因數越大。動摩擦因數的測量可以根據公式μ=■計算得出。由于滑動摩擦力和正壓力的單位均是牛頓，所以動摩擦因數是沒有單位的。但是，動摩擦因數是物體本身的固有屬性，只與物體本身有關，與有沒有發生相對運動，以及有沒有正壓力無關。所以，不能說動摩擦因數μ與摩擦力成正比、與正壓力成反比。動摩擦因數的大小與兩個接觸面的材料和粗糙程度等情況有關。

1 表面粗糙程度影響動摩擦因數大小

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，其兩波峰或兩波谷之間的距離很小，它屬于微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度越小，則表面越光滑。表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如，加工過程中刀具與零件表面間的摩擦、切削分離時表面層金屬的塑性變形以及工藝系統中的高頻振動等。由于加工手段和工件材質的不同，被加工物體表面留下的痕跡深淺、疏密、形狀和紋理都有差別。許多金屬看似非常的光滑，可是當用掃描隧道電子顯微鏡觀察時，我們可以看清原子級別的圖像，很整齊的金屬表面居然表面也會高低不平。所以，當兩個物體在一起摩擦時凹凸部分會卡在一起，在移動的時候卡在一起的部分就會發生磨損和斷裂，這也就決定了動摩擦因數的大小，因而表面越粗糙動摩擦因數越大。生活中絕對光滑的表面是沒有的，我們可以減少動摩擦因數，但是無法避免，所以動摩擦因數不可能為零。

2 溫度影響動摩擦因數大小

溫度變化時會影響材料分子的各個運動單元的熱運動能力，而且會影響分子間的間距，而材料的動摩擦因數作為最常用的一項力學指標，也就受到了溫度變化的影響。一般來講，隨著環境溫度的升高，材料表面的動摩擦因數會有一定的變化，但變化的大小因材料而異。溫度不同會導致動摩擦因數的顯著變化，需要通過實際檢測獲得實測數據。某種材料的動摩擦因數可能會隨著溫度的變化出現明顯的增長或減少，也有可能保持了一定的數據穩定性。舉個例子我們就能理解這個問題，生活中我們都看過F1賽車，研究表明F1賽車輪胎的最佳工作溫度高達90 ℃—110 ℃。如果輪胎達不到這樣的溫度，它就會無法發揮出應有的抓地力，變得容易打滑。所以，在把輪胎裝上F1賽車之前，車隊工作人員會先把輪胎放到一個叫做“暖胎寶”的特殊電熱毯里，盡量使輪胎保持工作溫度。而這里輪胎的溫度變化對其橡膠材料的動摩擦因數大小影響在實際中就顯得尤為重要。

3 各種材料表面的不同分子結構影響動摩擦因數大小

各種材料由于其表面的分子結構排列不一樣，因而各種材料之間的動摩擦因數大小也不一樣，常見的幾種材料在常溫常壓下，接觸面間動摩擦因數大小是這樣的情況：鋼-鋼（0.25），鋼-木（0.40），鋼-冰（0.02），木-木（0.30），木-冰（0.03），木-皮革（0.30），橡膠輪胎-水泥路面（0.70）。而有些材料的動摩擦因數還和摩擦時的條件有關，例如玻璃和玻璃之間在干摩擦條件下的動摩擦因數是0.4，但是在潤滑摩擦條件下的動摩擦因數是0.09。常見的金屬之間的動摩擦因數有這樣的特點，相同金屬或互溶性較大的金屬之間容易發生粘著現象，使動摩擦因數增大，而不同金屬之間由于互溶性比較差，它們之間不容易發生粘著，動摩擦因數一般比較低。

4 動摩擦因數μ可以大于1

中學物理教材中給出的兩種材料間的動摩擦因數都是小于1，一般參考書所做的習題中動摩擦因數也是小于1，因而很多人就都認為材料間的動摩擦因數總是小于1。事實上，兩種材料之間的動摩擦因數也有大于1的情況。從摩擦產生的本質來看，動摩擦因數主要是接觸材料、界面粘染物或面潤滑劑的一個力學特征。摩擦的本質究竟是什么，直到今天人們還沒有完全研究清楚。目前比較權威的說法認為摩擦是由于接觸表面原子之間的附著力而引起的，當兩個物體相互接觸的時候，由于凹凸部分表面的原子靠得很近，再由于物體間的擠壓，從而形成了原子鍵，其強度與使固體聚集在一起的原子鍵的強度相差不大。兩個物體如果表面非常平滑、接觸得非常緊湊，此時表面就粘附得很牢固，在發生相對滑動之前出現“接點增長”，接點間面積就會不斷變大，最后整個幾何接觸面積變成了一個巨大的接觸點。此時盡管仍是在物體間的擠壓作用下形成的原子鍵，但兩物體接觸表面原子之間的凝聚力變得很大。如果此時要斷開這種凝聚力很大的原子鍵就需要更大的外力，宏觀上顯示此時兩個物體間的摩擦力會很大甚至會超過正壓力，此時動摩擦因數也就出現等于或大于 1。事實也是如此，實驗測得橡皮與金屬間的動摩擦因數1<μ<4，銦與銦間的動摩擦因數1.5<μ<2.0，將金屬放在1.33×10～1.3×10-3～1.3×10-4 Pa的真空中，加熱到一定的溫度并保持一段時間，然后除去表面污物，冷卻后測定動摩擦因數μ可達5～6。

當然，影響動摩擦因數大小還有很多其他的因素，比如材料的表面膜的存在，因為基建在空氣中總有一層氧化膜，這可以使動摩擦因數降低。還有材料中載荷的影響，對大多數物質來說，載荷的變化會直接影響到動摩擦因數，還有振動、光潔度、濕度等都會影響動摩擦因數的大小。然而，中學階段我們只要掌握動摩擦因數大小由兩個主要因素決定，即與兩個接觸面的材料、粗糙程度等情況有關，并且知道動摩擦因數大小和兩物體接觸的面積、相對運動的速度等都無關。

參考文獻：

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[2]王雙進.摩擦因數探析[J]. 物理通報，2004（5）：40-41.

[3]周洪偉. 動摩擦因數μ一定小于1嗎？ [J]. 湖南中學物理，2012（6）：61-62.

（欄目編輯 王柏廬）