一、摩擦力概述

兩個相互接觸的物體，當它們要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生相對運動時，便會在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對運動的力，這種力就叫做摩擦力。

生活中，摩擦力無處不在，其作用效果有利有弊。一方面，由于摩擦力的存在，我們可以通過踩剎車使汽車停止;另一方面，又由于摩擦力的存在，汽車即使在水平面上行駛，也需要不斷燃燒汽油，提供動力以克服摩擦力。

所有的機械和其構(gòu)件都是在摩擦力的約束作用下相對運動的，而摩擦力的約束作用又總是通過構(gòu)件進行傳遞，并使構(gòu)件產(chǎn)生壓、彎、拉、扭變形，從而造成破壞。

二、摩擦力的計算方式

目前，關(guān)于摩擦力的計算，我國初中、高中及大學(xué)的物理、力學(xué)以及機械零件等學(xué)科的教科書中都反復(fù)談及。它們將摩擦力作為一種約束條件，并根據(jù)阿芒湯(1663年-1705年)-庫侖(1736年-1806年)定律來進行計算。即F=μN。其中，μ指摩擦系數(shù)，其大小決定于材料的固有特性，是一個固定常數(shù)。

這種摩擦力的計算方法，主要依據(jù)庫侖提出的機械嚙合理論。該理論在解釋摩擦現(xiàn)象時，主要停留在物體(固體)表面的純幾何概念上。其認為兩個粗糙的表面相互接觸時，接觸點會相互嚙合，而摩擦力正是所有嚙合點切向反力的總和;而當兩個物體的表面發(fā)生相互滑動時，摩擦力所消耗的功就是表面越過粗糙面所做的功。總的來說，該理論在表面粗糙度比較大的情況下是可用的，而在表面粗糙度非常小的情況下就存在一定的片面性。

近代摩擦理論中，雖然摩擦力的計算方式仍然是：F=μN。但其中摩擦系數(shù)不再是單純的材料特性、固定常數(shù)，而是材料與環(huán)境的綜合特性。此外，不同材料的摩擦機理也不相同。

針對工程上廣泛使用的金屬材料而言，當兩個物體表面發(fā)生相互接觸時，由于物體軟硬程度不一致且表面凹凸不平，在外力作用下，直接接觸部分可能會出現(xiàn)粘著區(qū)和嵌入?yún)^(qū)(如下圖所示)。

在凸峰與凸峰相接的地方，接觸面積很小，其接觸壓力可達幾百至幾萬巴。因此，當凸峰載荷大于其彈性極限時，就會發(fā)生塑性流動。在這個過程中，產(chǎn)生的瞬時高溫能夠達到1000℃以上，因此，凸峰與凸峰的接觸點會形成粘結(jié)點。而當硬表面的凸峰插入較軟表面內(nèi)時，則形成了嵌入點。

當兩個金屬表面發(fā)生滑動時，粘著點會因為相互滑動而被撕裂剪斷、產(chǎn)生磨損，并與其余凸峰發(fā)生連續(xù)碰撞后形成新的粘結(jié)點;嵌入點也會因為相互滑動而與其余嵌入面發(fā)生碰撞而形成犁溝。這一現(xiàn)象，正如恩格斯在《自然辯證法》中所說的:“摩擦可以看作一個跟著一個和一個接著一個發(fā)生的一連串的碰撞;碰撞可看作集中于一個瞬間和一個地方的摩擦。摩擦是緩慢的碰撞，碰撞是激烈的摩擦。”可見，摩擦過程實質(zhì)上就是粘著點被剪斷、嵌入點刨削軟表面的過程。因此，摩擦力就是令金屬粘結(jié)點斷裂的剪切力以及令嵌入點犁開軟表面的刨削力的總和。

假設(shè)表面共有粘結(jié)點m個。為了便于計算，設(shè)各粘結(jié)點為半球形，其半徑為r，且每個粘結(jié)點所承受的鉛直載荷為Pi，則：

Pi=N/(m+n)

流動壓力為：

p=Pi/(πr2)=N/[(m+n)πr2]

或

πr2=N/[(m+n)p]

如下圖所示，對于半球形的粘結(jié)點。當上表面發(fā)生滑動時，設(shè)令此粘結(jié)點斷裂的摩擦力為Fi，當粘結(jié)點的剪切強度為時則：

Fi=πr2τ=Nτ/[(m+n)p]

設(shè)m個粘結(jié)點所產(chǎn)生的摩擦力為Fi ，則：

Fi =mπr2τ=mNτ/[(m+n)p]

對于非金屬材料而言，除了金屬和塑料接觸的情況，與金屬和金屬接觸相類似外，其余所有的非金屬材料表面均不會產(chǎn)生粘結(jié)點。

三、摩擦在工程力學(xué)中的地位

1704年A·帕朗(1666年-1716年)提出了“摩擦錐”與“摩擦角”的概念。該概念的提出對靜力學(xué)而言，是一次有重要意義的發(fā)展。之后，歐勒(1707年-1783年)系統(tǒng)地研究了撓性帶的問題，并推出了計算撓性帶包角的歐勒公式。第一次正式將摩擦問題納入力學(xué)中，使力學(xué)不僅成為了研究構(gòu)件約束力的學(xué)科，還成為了研究摩擦約束力的學(xué)科。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)中其余部分內(nèi)容不斷得到了更新，而摩擦這一重要的內(nèi)容，直到現(xiàn)在仍保持著最初納入力學(xué)時的情形。摩擦力作為靜力平衡的一個附加條件，在力學(xué)中被認為是無足輕重的次要內(nèi)容。然而，實際上摩擦力不僅應(yīng)用于靜力學(xué)，還在材料力學(xué)和動力學(xué)中具有十分重要的意義。

任何機械的構(gòu)件與工質(zhì)的相互作用都可以分為兩個方面：一方面，構(gòu)件承受了由工質(zhì)傳來的拉、壓、扭、彎等作用;另一方面，構(gòu)件與工質(zhì)之間存在摩擦作用。除此之外，所有零件與周圍環(huán)境的作用，大多數(shù)也都是摩擦方面的作用。并且，摩擦約束的條件要比結(jié)構(gòu)約束的條件更嚴重、更復(fù)雜。

雖然大多數(shù)情況下，摩擦對材料的損害并沒有構(gòu)件約束那么激烈和明顯，但摩擦能夠使系統(tǒng)發(fā)生自激振動，并使表面材料發(fā)生磨損，能夠直接關(guān)系到機械或結(jié)構(gòu)的性能與使用壽命。因此，從這個意義上來說，摩擦是工程力學(xué)中具有重要意義的課題。

四、結(jié)語

摩擦，是兩個物體相互接觸、作用而產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象，其力學(xué)特性之一就是摩擦力。摩擦學(xué)所涉及的內(nèi)容非常之多，其不僅關(guān)系到物理、化學(xué)、力學(xué)，還關(guān)系到冶金學(xué)以及材料學(xué)等方面的內(nèi)容。摩擦學(xué)中摩擦、磨損部分，與力學(xué)的關(guān)系最為緊密，可謂是力學(xué)的重要內(nèi)容之一。除此之外，摩擦在構(gòu)件約束力中的作用也是不可小覷?？梢?，摩擦在工程力學(xué)中具有不可忽視的地位。