有趣的动摩擦因数

韦娟

摘 要：动摩擦因数是中学物理中一个没有单位的比值，动摩擦因数又称之为动摩擦系数，物理学上用一个希腊字母μ表示，不同材料间物体的动摩擦因数不同，决定动摩擦因数大小的是接触面的材料和粗糙程度以及接触面间的温度等情况，动摩擦因数大小可以大于1。

关键词：动摩擦因数；粗糙度；温度；表面分子结构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）5-0062-2

动摩擦因数又称之为动摩擦系数，物理学上用一个希腊字母μ表示，这个值是彼此接触的两个物体做相对运动时滑动摩擦力和正压力之间的比值。不同材料物体间的动摩擦因数不同，物体越粗糙，动摩擦因数越大。动摩擦因数的测量可以根据公式μ=■计算得出。由于滑动摩擦力和正压力的单位均是牛顿，所以动摩擦因数是没有单位的。但是，动摩擦因数是物体本身的固有属性，只与物体本身有关，与有没有发生相对运动，以及有没有正压力无关。所以，不能说动摩擦因数μ与摩擦力成正比、与正压力成反比。动摩擦因数的大小与两个接触面的材料和粗糙程度等情况有关。

1 表面粗糙程度影响动摩擦因数大小

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，其两波峰或两波谷之间的距离很小，它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。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，加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切削分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。由于加工手段和工件材质的不同，被加工物体表面留下的痕迹深浅、疏密、形状和纹理都有差别。许多金属看似非常的光滑，可是当用扫描隧道电子显微镜观察时，我们可以看清原子级别的图像，很整齐的金属表面居然表面也会高低不平。所以，当两个物体在一起摩擦时凹凸部分会卡在一起，在移动的时候卡在一起的部分就会发生磨损和断裂，这也就决定了动摩擦因数的大小，因而表面越粗糙动摩擦因数越大。生活中绝对光滑的表面是没有的，我们可以减少动摩擦因数，但是无法避免，所以动摩擦因数不可能为零。

2 温度影响动摩擦因数大小

温度变化时会影响材料分子的各个运动单元的热运动能力，而且会影响分子间的间距，而材料的动摩擦因数作为最常用的一项力学指标，也就受到了温度变化的影响。一般来讲，随着环境温度的升高，材料表面的动摩擦因数会有一定的变化，但变化的大小因材料而异。温度不同会导致动摩擦因数的显著变化，需要通过实际检测获得实测数据。某种材料的动摩擦因数可能会随着温度的变化出现明显的增长或减少，也有可能保持了一定的数据稳定性。举个例子我们就能理解这个问题，生活中我们都看过F1赛车，研究表明F1赛车轮胎的最佳工作温度高达90 ℃—110 ℃。如果轮胎达不到这样的温度，它就会无法发挥出应有的抓地力，变得容易打滑。所以，在把轮胎装上F1赛车之前，车队工作人员会先把轮胎放到一个叫做“暖胎宝”的特殊电热毯里，尽量使轮胎保持工作温度。而这里轮胎的温度变化对其橡胶材料的动摩擦因数大小影响在实际中就显得尤为重要。

3 各种材料表面的不同分子结构影响动摩擦因数大小

各种材料由于其表面的分子结构排列不一样，因而各种材料之间的动摩擦因数大小也不一样，常见的几种材料在常温常压下，接触面间动摩擦因数大小是这样的情况：钢-钢（0.25），钢-木（0.40），钢-冰（0.02），木-木（0.30），木-冰（0.03），木-皮革（0.30），橡胶轮胎-水泥路面（0.70）。而有些材料的动摩擦因数还和摩擦时的条件有关，例如玻璃和玻璃之间在干摩擦条件下的动摩擦因数是0.4，但是在润滑摩擦条件下的动摩擦因数是0.09。常见的金属之间的动摩擦因数有这样的特点，相同金属或互溶性较大的金属之间容易发生粘着现象，使动摩擦因数增大，而不同金属之间由于互溶性比较差，它们之间不容易发生粘着，动摩擦因数一般比较低。

4 动摩擦因数μ可以大于1

中学物理教材中给出的两种材料间的动摩擦因数都是小于1，一般参考书所做的习题中动摩擦因数也是小于1，因而很多人就都认为材料间的动摩擦因数总是小于1。事实上，两种材料之间的动摩擦因数也有大于1的情况。从摩擦产生的本质来看，动摩擦因数主要是接触材料、界面粘染物或面润滑剂的一个力学特征。摩擦的本质究竟是什么，直到今天人们还没有完全研究清楚。目前比较权威的说法认为摩擦是由于接触表面原子之间的附着力而引起的，当两个物体相互接触的时候，由于凹凸部分表面的原子靠得很近，再由于物体间的挤压，从而形成了原子键，其强度与使固体聚集在一起的原子键的强度相差不大。两个物体如果表面非常平滑、接触得非常紧凑，此时表面就粘附得很牢固，在发生相对滑动之前出现“接点增长”，接点间面积就会不断变大，最后整个几何接触面积变成了一个巨大的接触点。此时尽管仍是在物体间的挤压作用下形成的原子键，但两物体接触表面原子之间的凝聚力变得很大。如果此时要断开这种凝聚力很大的原子键就需要更大的外力，宏观上显示此时两个物体间的摩擦力会很大甚至会超过正压力，此时动摩擦因数也就出现等于或大于 1。事实也是如此，实验测得橡皮与金属间的动摩擦因数1<μ<4，铟与铟间的动摩擦因数1.5<μ<2.0，将金属放在1.33×10～1.3×10-3～1.3×10-4 Pa的真空中，加热到一定的温度并保持一段时间，然后除去表面污物，冷却后测定动摩擦因数μ可达5～6。

当然，影响动摩擦因数大小还有很多其他的因素，比如材料的表面膜的存在，因为基建在空气中总有一层氧化膜，这可以使动摩擦因数降低。还有材料中载荷的影响，对大多数物质来说，载荷的变化会直接影响到动摩擦因数，还有振动、光洁度、湿度等都会影响动摩擦因数的大小。然而，中学阶段我们只要掌握动摩擦因数大小由两個主要因素决定，即与两个接触面的材料、粗糙程度等情况有关，并且知道动摩擦因数大小和两物体接触的面积、相对运动的速度等都无关。

参考文献：

[1]乔延芳.摩擦因数决定于什么[J].物理通报，1997（9）：9-10.

[2]王双进.摩擦因数探析[J]. 物理通报，2004（5）：40-41.

[3]周洪伟. 动摩擦因数μ一定小于1吗？ [J]. 湖南中学物理，2012（6）：61-62.

（栏目编辑 王柏庐）