摩擦力

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摩擦力是兩物體表面有相對運動相對運動的趨勢時 物體表面之間的交互作用力.

物體所受摩擦力不見得和物體運動速度相反方向,例如人就是靠和地面之間的摩擦力往前進.

其原因有來自表面物體微觀凹凸不平的表面 對彼此間相對運動產生阻礙 (也因此一旦發生相對運動或摩擦後 可發現其中物體部分的表層可能轉移到另一物體表面上) 另外兩物體表面之間 原子彼此相互的吸引力 也會造成摩擦力的產生 (主要發生於兩非常平的表面之間如兩玻璃相互貼緊後不容易相互平移,當然大氣壓力也是很大的影響因素)

當兩物體接觸面之間沒有相對位移時,兩物體之間的摩擦力就等於此時所施加的外力. 直到外力大於某特定值(所謂的最大靜摩擦力)時,兩物體之間開始有相對運動, 此時的摩擦力會比最大靜摩擦略小一些,稱為動摩擦. 一般狀況下 兩物體之間的最大靜摩擦力和動摩擦 都主要和兩物體表面之間的正向力成正比. 最大靜擦力 Fs = μsN ,比例常數μs稱為靜摩擦係數. 要特別注意 以上是最大靜擦力和正向力之間的關係式.並非靜摩擦力都等於上式(物體未移動前靜摩擦力=外力)

一般書本都會提到靜摩擦力和接觸面積無關的特性. 例如 一個立方體質量m,放在某平面上,其正向力 N 等於重力 m g, 若物體與該平面之間的摩擦係數是 μ,則該物體與平面之間的摩擦力 Fμ = μ N = μ m g.

並且強調:該立方體即使可能表面積不同,不論該立方體與平面之間的接觸面積為何,摩擦力大小均相同進行實驗也可發現,在一般實驗誤差範圍內,確實摩擦力約略相同!

也就是說: 假設該立方體各面材質相同,長寬高分別為a,b,c, 則其三對表面A,B,C的面積分別為 ab,bcca,不論接觸面為 A,B或 C,摩擦力大小均相同.

確實從巨觀的角度看,摩擦力大小均相同. 但是從微觀的角度看,應該是立方體A,B,C三個面與平面之間接觸面積其實相近. 假設巨觀看起來 A,B兩面的表面積比是 1:4. 但是放在表面上時,A,B兩個表面所受到的壓力比卻是 m g / 1: m g/4 = 4:1.

從微觀的角度,物體之間的摩擦力來自表面的凹凸不平,因此兩物體接觸面之間並非每個原子都相互接觸. 而是僅兩者對應凸出的部分才有接觸.表面積較小的A面,所受壓力會較大,會使得兩物體之間實際接觸面積增加, 實驗結果其實是告訴我們 從微觀的角度,兩者之間的實際接觸面積約略相同.才使得摩擦力一樣.

想像一物體從一光滑表面滑向一粗糙表面的過程,於光滑與粗糙的介面上,物體與粗糙面的接觸面積會逐漸增加,摩擦力也會逐漸增加,表示 摩擦力和實際接觸面積是有關的.

只是物體與表面之間,接觸面積不相同時,壓力也不相同.結果是微觀實際交互作用面積相同,因此才說與接觸面積無關. 其實進行實驗時,也不會全然都一樣.結果一般都是近乎相同.例如巨觀面積改變4倍,摩擦力之差異可能僅1-2%. 相對影響很小. 所以一般都忽略.

一般高中課本都會舉木塊質量m放於斜面上,當斜角逐漸增加直到物體恰好開始下滑時,若此時斜角為θ,

則物體沿斜面下滑的力量= m g sinθ 此時正向力 F為 m g cosθ,故最大靜摩擦力=m g cosθ μs

當斜面下滑的力量恰好超過最大靜摩擦力 也就是 m g cosθ μs = m g sinθ時恰好開始下滑

因此得到 μs = tanθ的關係式.

一般同學都看過此範例,有類似問題也會計算.只是很多同學還是經常會問 如何求得兩物體之間的靜摩擦係數.

其實只要將一物體放在另一物體上方,然後開始轉動物體直到兩物體恰好開始下滑就可以得知 靜摩擦係數. 學習要懂得舉一反三,

物理關係式只要求得其餘的物理量就可以用來計算剩下未知的量.

動摩擦係數通常比靜摩擦係數略小一些. 準確的求動摩擦係數以前比較不容易,現在大家都有手機或數位相機可拍攝物體運動過程透過滑輪掛個重物就可得到固定施力,當其運動後從運動關係求得加速度就可以算出 動摩擦係數. 學習物理 要懂得運動,而不是只會考試. 將來到職場,老闆需要的不是你會解題,而是你會解決實際的問題!

歡迎參考 科幻劇場------摩擦力消失了

摩擦力的分類

摩擦力是阻止物體正切方向相對運動的力,可以發生在固體、流體層或材料分子間。摩擦力通常分成幾種形式:

(1) 乾摩擦力:阻止固態物體表面相對運動的力。乾摩擦力也可以分成靜摩擦力與動摩擦力兩種。其中靜摩擦力是指兩物體尚未相對運動時,物體表面間的阻力。

而動摩擦力則是物體已經產生相為運動時,物體表面間的阻力。

(2) 潤滑摩擦力:在物體相對運動之間,存在一層流體層,此時所造成的摩擦力。

(3) 流體摩擦力:不同的流體層相對流動,彼此間所造成的摩擦力。

(4) 表面摩擦力:物體在流體中,受到流體在物體表面拖曳(drag),所造成的摩擦力。

(5) 內部摩擦力:物體在形變過程中,內部分子間相對移動所造成的摩擦力。

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