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[其他相关] 振动对摩擦力的影响

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发表于 2019-1-10 13:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  谈到摩擦力,首先给出一个物理实验:桌面上放置一定重量的物块,需要使用10N的力才能推动;如果给桌面提供一定频率的振动,则推动物块的力仅需要8N。类似的还有另一个物理实验:斜面上放置一个物块,因静摩擦力物块保持不动,这时在斜面的一端敲击斜面,则物块会慢慢下滑。原因是什么呢?
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  我们分析,能够使物块保持不动的力是静摩擦力,而影响静摩擦力的因素有两种,正压力和静摩擦系数,给接触面加入振动,物块会随着接触面的振动而振动,振动则存在波谷波峰,两物体的接触正压力则会发生变化。我们想象极端情况,假设物块振动到波峰,那么相当于物块基本要离开接触面,在那一瞬间正压力几乎为零,于是用很小的力就可以推动物块或者物块会因为受到重力而下滑。

  由此我们知道,振动可以减小摩擦力。联系到《水浒传》中鲁智深倒拔垂杨柳的典故,我想他一定不是垂直拔起,而是左右摇摆树干,给树根部增加振动才能轻易拔出。生活中拧不动的螺丝,可以通过敲击产生振动使螺丝松动;仓储粮食,通过振动仓壁,可以减少颗粒物间的摩擦力,使粮食在重力作用下向下滑动,从而能够使仓库更加瓷实。
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  那么能够减小静摩擦阻力的振动需要多大振幅、多大的频率呢?这方面查找到有关学者做了深入的探讨,文献[1]中给出了答案:频率较小时,固定频率,振幅的增大会使静摩擦力迅速减小,然而,当频率过大时,振幅的改变基本不会影响静摩擦力;固定振幅,随着频率的增大,静摩擦力也会减小,但是在某些特定振幅时,增大频率,静摩擦力会发生先减小到零后增大,这一现象类似于共振,在最佳振动频率时可以促使物体内原子共同振动,使得系统最大静摩擦力几乎消失。

  由此可见,可利用振动来解决摩擦问题,但有时振动减小摩擦也会有害,例如压气机盖因振动导致静摩擦力减小而发生转动,桥梁连接使用的螺栓也惧怕车辆激励振动导致松动。因此,合理利用振动和预防振动对于生活和工程实际均至关重要。

  文献:
  [1] 雷佑铭. Frenkel-Kontorova模型中基底势振动的影响. 物理学报, 2014, 63: 220502

  来源:漫步力学微信公众号(ID:Walking-mechanics),作者:侯兰兰 天津大学。

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