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[!--downpath--]谈论化学与技术第 12 部分
摩擦与工程
刘斌生 2021/08/15
摩擦力与工程技术的关系非常密切，但传统教科书对此关注不多。 虽然它有许多重要的例子，但它也定量地使用了一些基本的热理论。 初高中教学要兼顾，一些例题还可以为编习题和试题提供素材。
01 减少摩擦危害的一些技术
1、最常用的方法——加润滑剂
润滑剂在固体之间形成一层油膜摩擦力和弹力的关系，将干摩擦转变为湿摩擦。 润滑油有很多种。 有的很“薄”，适用于轻载、高速运转的机械，如机械钟表、大小电机中的滑动轴承等。 有的比较“稠”，甚至变成糊状（称为油脂），用于重型和相对低速的机械，如自行车、汽车、普通电机中的滚动轴承等。
2、选对材料
它不仅可以减少动摩擦的原因，还可以控制腐蚀以防止“双输”。
例如，普通机械中的滑动轴承多为钢轴配合铜合金轴承。 图1为小型轴承结构，主体为两个圆弧形轴承瓦，固定在轴承座内，运转时应加注润滑油或油脂。 由于铜轴的强度远小于钢轴，车削时只有轴瓦生锈，轴瓦易于维修和更换。
图1
还有一种用聚四氟乙烯塑料制成的滑动轴承，与钢轴配合使用，只是摩擦素数很小，但这些塑料具有自润滑性能，不需要注油。
无轨电车和电力机车都有石墨制成的滑块（或滚轮）与架空铝线接触。 石墨还能导电，与铜的摩擦系数小，并以自身的锈蚀保护架空铝线的寿命。 大多数实用的直流电机都使用石墨衬套。 玩具电机和教学电机为了简单起见，使用铜线或铜片作为套管。 详情请参考本公众号文章《来自碳与无轨电车》（2020年7月）。
3.使用浮动方法使实体脱离接触
例如，实验室中使用的气垫滑梯和气垫平台（用于观察二维碰撞）。 交通运输中的磁悬浮列车，个别高速旋转的机器也使用磁悬浮轴承。
02 减少摩擦的一些技术
1、在材料和产品的表面质感上下功夫
比如鞋跟的防滑，地砖的防滑等等。 测量产品性能时，估计摩擦素数不是按照教科书上的方法测量的，而是要在实际使用情况下进行测试，比如汽车轮胎。 移动距离。
2.借助柔性材料与刚性固体材料之间摩擦力的特殊定律
柔性材料（如橡胶、软塑料）与刚性固体材料之间的摩擦，在某些特殊情况下会有特殊的规律。 如：在图2所示的一种皮带传动中，人们发现橡胶带对钢带轮的“包角”较大，相互之间的摩擦力也较大。 在实际应用中，两个滑轮的半径不宜过大，这是为了防止皮带与小滑轮C之间“打滑”。同理，拴马时，让坐骑绕桩子转两圈更多，马不会轻易挣脱。
图 2
再有，人力四轮车的前轮上通常采用如图3所示的简易制动装置，(也称“抱闸”)。 读者可自行分析其作用原理。 关键在于：C与D的包角可达270°以上，通过杠杆加力，使橡胶带C抱住制动轮D，使D获得更大的摩擦力矩。 这样可以使后轮在短时间内减速停止。
图 3
车辆的车轮都需要有能够形成强大摩擦力的制动装置。 例如，钢制的“刹车鼓”或“刹车盘”和相应的“刹车片”装在车轮的轴上。 制动时，制动片通过液压机构紧压在制动鼓或制动盘上。 图4为刹车片结构示意图。
图 4
那么刹车片表面应该选择什么样的摩擦材料呢？ 从数学的角度来说，其实就是要把素数搓得越大越好。 但在工程技术上，还必须满足许多其他条件，如耐低温、不燃烧、耐腐蚀、适当的导热性、不怕水、环境污染小、性能稳定等。 这是材料科学需要研究和解决的问题。 目前常用的摩擦材料有：（1）半金属型，由钢丝等材料制成； (2)低金属型，比上述配方掺入更多的碳、石墨、陶瓷纤维。 (3)陶瓷配方型。
03 机械预制构件自锁及其应用
自锁是静摩擦起的极其重要的作用。 在机械工程技术中得到广泛应用。 应该作为教学中的重要范例，可惜教材中没有提及。
一、边坡的自锁现象及规律
如图5所示，铁块A放在木坡B上，如果夹角θ很大摩擦力和弹力的关系，铁块会自行加速下降。 当θ大于一定值时，铁块借助静摩擦力自行停在斜面上。 这种静止状态在机械工程中称为自锁。 在这种状态下，最大静摩擦力fmax必须小于N和G的合力。假设A和B之间的滑动摩擦素数为μ，则实现自锁的条件是tgθ
