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摩擦力
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摩擦力存在於 兩界面間 有相對運動(動摩擦)
或兩界面間 沒有相對運動但有相對運動的趨勢時(靜摩擦)。
有了摩擦力 我們才能在路面上行走、棉線才能織成布料不脫落、
鐵釘才能釘在木頭內. ...
但有時候我們卻又希望減少摩擦力,例如 機械表面或軸承的潤滑等。
摩擦力不止造成機械消耗能量產生熱能,更會造成表面磨損。
摩擦力 的作用在於 試圖改變抵銷運動的趨勢。
摩擦力必不完全都是阻礙或減緩運動。有時候情形恰相反,
例如: 走路或汽車加速時,便是靠摩擦力才可能達成的。
當施力欲推動物體,物體卻靜止不動時,物體所受外力合必為零。
因此物體所受摩擦力恰抵銷所施加的外力,兩者大小相等方向相反。
直到外力超過 某最大值(稱最大靜摩擦) 物體便會開始與界面間有相對運動,
此時為動摩擦。通常動摩擦稍小於最大靜摩擦。
兩固體界面間的動摩擦
通常與界面間相對速度 沒有太大的關係,也與接觸面積無關。
但是和接觸面的性質有關 且通常與兩界面間的正向力成正比。
摩擦力起源於原子間的電磁作用力,可以存在於 固態﹑液態或氣態介面間。
液態與氣態介面間:
由於雨滴與空氣間的摩擦,使得雨滴很快達到等速度下落(終端速度)的狀態。
否則從數千公尺高空落下的雨滴將會以極高的速度打在你我身上。(估算一下吧!)
固態與液態介面間:
水在水管內因摩擦而減緩流速,子彈若射入水中則比起空氣中威力大減,
高速公路上輪胎若沾上油 則減少輪胎與地面間摩擦 會鬧出大禍!
在兩固態介面間加入液態流體 經常用以減少 其間的摩擦,但並非消除。
固態與氣態介面間:
汽車行駛時大部份的能量損耗於將汽車前方的氣體推開。
太空船從外太空回地面時 外表與空氣間的摩擦產生高熱。
高空跳傘者最後也以某 終端速度落地!
固態與固態介面間:
鉛筆與紙張間的摩擦得以留下字痕,東西得以固定在某處,你我得以行走...
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但是和接觸面的性質有關 且通常與兩界面間的正向力成正比。
因此常表示為 摩擦力 F = μFN
μ稱為摩擦係數 由 兩接觸面間性質決定,在摩擦的過程中 不見得恆為定值。
FN 則為兩介面間的正向力。也就是垂直於接觸面方向的作用力。
書本放在桌面上則 正向力為書本的重力。若放在斜面上則為重力在垂直於斜面上的分量。
讓一般人感覺較困惑的是 摩擦力似乎和外觀的接觸面積無關。
一塊長方體的木塊,只要表面性質相同,不管是哪一個面與桌面接觸 摩擦力幾乎相同。
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摩擦力的起源:
摩擦力起源於 兩接觸面間的 附著吸引力 (???似乎很奇怪!繼續看下去)
由於原子或分子間的電磁吸引力使得 物體有巨觀的結構,
也是相同的作用力導致於摩擦的存在。
原子或分子間必須在很短(幾個原子半徑間距離)時,其間才有較明顯相互吸引的作用力。
兩介面必須很接近才會有顯著摩擦存在。
一般的表面可能看似光滑,可是若以放大鏡仔細觀察將發現表面 凹凸不平。
坑坑洞洞的大小甚至有數百個原子半徑。
當兩介面巨觀接觸時 ,實際上兩介面間只有凸出的部份相接觸。
當正向力增加時 會使得表面稍微變形(更為扁平) 而增加介面間 『實際的接觸面積』。
『實際的接觸面積』往往只佔巨觀接觸面積很小的比例。
大部份仍然相距 10-50個原子半徑的距離。
當書本平放在桌面時,巨觀接觸面積大 使得介面間壓力較小,而使得實際接觸面積比例較小。
當書本直立時,巨觀接觸面積變小 使得介面間壓力增大而增加實際接觸面積比例。
但較小的面積乘以較大的接觸比例 與 較大的面積乘以較小的接觸比例 約略相同。
(也就是說微觀 實際接觸面積 約略相同)
使得 摩擦力 與 巨觀接觸面積 無關。
正向力大小決定 『實際接觸面積』,而原子間的吸引力 與 『實際接觸面積』成正比。
因此 摩擦力 正比於 介面間的正向力。
實際接觸面積也與 介面接觸表面的性質相關(原子種類與光滑程度等)
也就是與 摩擦係數 相關的因素。
兩接觸面間相對靜止時 比 相對運動時 實際接觸面積大。
因此靜摩擦大於 滑動摩擦。
滑動的過程會將部份原子由其中一介面留置於另一介面上,
如摩擦後留下的痕跡也使得表面更平滑。
滾動時 就比滑動時 容易,因此滾動摩擦又小於 滑動摩擦。
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