理论力学第四章摩擦问题.ppt
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1、liluchang1第四章第四章 摩擦摩擦 现实生活中,绝对光滑的表面是不存在的,现实生活中,绝对光滑的表面是不存在的,两物体之间具有相对运动或运动趋势时,接触面两物体之间具有相对运动或运动趋势时,接触面之间都有摩擦。特殊情况下,摩擦力可以不计。之间都有摩擦。特殊情况下,摩擦力可以不计。摩擦问题的两重性:摩擦问题的两重性:有利:有利:制动、传动、走路制动、传动、走路 不利:不利:产生阻力、消耗能量、降低效率产生阻力、消耗能量、降低效率 按照物体表面相对运动情况,摩擦可分为按照物体表面相对运动情况,摩擦可分为滑动摩擦滑动摩擦和和滚滚动摩擦。动摩擦。滑动摩擦滑动摩擦又分为:又分为:动滑动摩擦:动滑
2、动摩擦:两接触面具有相对滑动。两接触面具有相对滑动。静滑动摩擦:静滑动摩擦:两接触面具有相对滑动趋势。两接触面具有相对滑动趋势。liluchang2 第一节第一节 滑动摩擦滑动摩擦1、定义:、定义:两个相互接触的物体,发生沿着接触面的相对滑两个相互接触的物体,发生沿着接触面的相对滑动或滑动趋势时,在公切线上彼此间产生阻碍运动或运动趋动或滑动趋势时,在公切线上彼此间产生阻碍运动或运动趋势的力,称为滑动摩擦力。势的力,称为滑动摩擦力。2、滑动摩擦力的方向:滑动摩擦力的方向:与被研究对象相对滑动或滑动趋势的与被研究对象相对滑动或滑动趋势的方向相反。方向相反。、有、有 相对滑动趋势相对滑动趋势 时时-
3、静滑静滑动摩擦力动摩擦力Fs:两个相互接触的物体,所受的外力两个相互接触的物体,所受的外力较小,物体有相对滑动趋势,尚保持相较小,物体有相对滑动趋势,尚保持相对静止,此时接触面间产生的滑动摩擦对静止,此时接触面间产生的滑动摩擦力,称为静摩擦力(力,称为静摩擦力(F Fs s).).3、滑动摩擦力大小的三种情况(三种滑动运动状态):滑动摩擦力大小的三种情况(三种滑动运动状态):如何确定摩擦力的具体值和方向?如何确定摩擦力的具体值和方向?Gx摩擦力摩擦力静滑动摩擦定律:静滑动摩擦定律:Fmax=f s Nliluchang3注意:注意:Fs的大小是个不定值,随着外力的变化而变化。其方的大小是个不定
4、值,随着外力的变化而变化。其方向由外力系的合力方向决定,可以假设。向由外力系的合力方向决定,可以假设。、临界平衡状态时、临界平衡状态时-最大静滑动最大静滑动摩擦力摩擦力Fmax:静滑动摩擦定律:静滑动摩擦定律:最大静摩擦力的大小与法向反力成正比。最大静摩擦力的大小与法向反力成正比。F max=f s N 其中:其中:f s 称为静滑动摩擦称为静滑动摩擦因因数数Gx摩擦力大小摩擦力大小如何计算?如何计算?Fs=F x 且且0 Fs FmaxGxGx 当外力增加到某个值时,物体处于当外力增加到某个值时,物体处于将动未动的临界平衡状态,这时静摩将动未动的临界平衡状态,这时静摩擦力达到最大值称为最大静
5、摩擦力,擦力达到最大值称为最大静摩擦力,以以Fmax表示。表示。liluchang4、有相对滑动时、有相对滑动时-动滑动摩擦力动滑动摩擦力F:当物体接触面间有相对滑动时,出现的滑动摩擦力,当物体接触面间有相对滑动时,出现的滑动摩擦力,称为动滑动摩擦力,它的方向与两物体间相对滑动的方向称为动滑动摩擦力,它的方向与两物体间相对滑动的方向相反。相反。F =f N 其中:其中:f 称为动滑动摩擦称为动滑动摩擦因因数。数。一般情况,一般情况,f f s,要求不高时,要求不高时,f =f s。GF分析运分析运动状态动状态Gxliluchang5Gx第二节第二节 摩擦角与自锁现象摩擦角与自锁现象1、全约束力
6、、全约束力 R:法向反力法向反力FN与摩擦力与摩擦力Fs 的合的合力称为支承面对物体的全约束力力称为支承面对物体的全约束力 R。Gx2、摩擦角、摩擦角f f:随着摩擦力的增大,随着摩擦力的增大,角逐渐增大,角逐渐增大,当摩擦力达到最大值当摩擦力达到最大值F max 时,全约束力时,全约束力R作用线作用线与接触面法线间的夹角与接触面法线间的夹角f f 称为摩擦角。称为摩擦角。摩擦角只与摩擦角只与 f fS S有关,它是全约束力与法线所成角度的最大值。有关,它是全约束力与法线所成角度的最大值。liluchang63、自锁现象:、自锁现象:自锁条件:自锁条件:f f 此时此时FA在水平方向的投影永远
7、小于最大静滑动摩擦力。在水平方向的投影永远小于最大静滑动摩擦力。主动力的合力主动力的合力FA 的作用线与接的作用线与接触面法线的夹角为触面法线的夹角为,当主动力的合当主动力的合力力FA的作用线在摩擦角以内,则无的作用线在摩擦角以内,则无论合力论合力FA有多大,全约束力有多大,全约束力R总能与总能与之平衡,物体必定保持平衡,这种之平衡,物体必定保持平衡,这种现象称为现象称为自锁现象自锁现象。Gxliluchang7 当主动力的合力当主动力的合力FA的作用线在摩擦角以内,的作用线在摩擦角以内,则无论合力则无论合力FA有多大,物体必定保持平衡。有多大,物体必定保持平衡。当主动力的合力当主动力的合力F
8、A的作用线在摩擦角以外,的作用线在摩擦角以外,则无论合力则无论合力FA有多小,物体一定会滑动。有多小,物体一定会滑动。螺纹螺旋角:螺纹螺旋角:(休止角)沙堆滑塌、山体滑坡现象。(休止角)沙堆滑塌、山体滑坡现象。螺纹自锁条件:螺纹自锁条件:liluchang84-3 考虑滑动摩擦时物体的平衡问题考虑滑动摩擦时物体的平衡问题 仍为平衡问题,平衡方程可用,求解步骤与前面基本相同。仍为平衡问题,平衡方程可用,求解步骤与前面基本相同。几个新特点几个新特点2、严格区分物体处于临界、非临界状态;、严格区分物体处于临界、非临界状态;3、因、因 ,问题的解有时在一个范围内。,问题的解有时在一个范围内。1、画受力
9、图时,必须考虑摩擦力;、画受力图时,必须考虑摩擦力;4、静滑动摩擦定律:、静滑动摩擦定律:F max=f s N 的应用要慎重。的应用要慎重。5、物体相对滑动趋势与运动方向之间的区别。、物体相对滑动趋势与运动方向之间的区别。分析自行车前、后轮胎受到的摩擦力。分析自行车前、后轮胎受到的摩擦力。liluchang9例例4-1 在一个可调整倾角上放一物体重为在一个可调整倾角上放一物体重为W,接触面间的摩擦接触面间的摩擦系数为系数为 f,试求物体刚开始下滑时的斜面倾角试求物体刚开始下滑时的斜面倾角。解解:(1)、取物体为研究对象取物体为研究对象.画受力图画受力图(2)、选取坐标轴,、选取坐标轴,列平衡
10、方程,求列平衡方程,求未知量。未知量。WxyoNFmax(3)、测定摩擦系数的一种简易方法)、测定摩擦系数的一种简易方法看作汇看作汇交力系交力系liluchang10Q例例4-2 在斜面上放置一物体重为在斜面上放置一物体重为Q,接触面间的摩擦系数为接触面间的摩擦系数为 f ,斜面的倾斜角为斜面的倾斜角为 。为使物体在斜面上保持平衡,在物体上加。为使物体在斜面上保持平衡,在物体上加有水平力有水平力P。试求力试求力P 的范围。的范围。注意:注意:如果力如果力P太小太小,物体将向下滑动物体将向下滑动;如如力力P太大太大,又使物体向上滑动又使物体向上滑动.解:解:1、使物体不致下滑时所需的力使物体不致
11、下滑时所需的力P的最小值的最小值P min。画物体的受力图。画物体的受力图。设物体处于临界平衡状态设物体处于临界平衡状态,列平衡方程列平衡方程:xyoN1QF F1 1maxmaxliluchang112、物体不致上滑时所需的力、物体不致上滑时所需的力P 的最大的最大值值P max。化化物体受力图,列平衡方程物体受力图,列平衡方程:3、综上得出、综上得出:要维持物体平衡时要维持物体平衡时,力力P的值应满足的条件是的值应满足的条件是:xyoN1QF2maxliluchang12xy 例例4-3 杆杆AB的的A端端置置于于光光滑滑水水平平面面上上,AB与与水水平平面面夹夹角角为为20,杆杆重重为为
12、P=50 KN。B处处有有摩摩擦擦。当当杆杆在在此此处处临临界界平平衡衡时时,试求试求B处摩擦角。处摩擦角。解:解:以以AB为研究对象,画为研究对象,画受力受力图,图,N为为B处的正压力。处的正压力。N tgm.cos=N sinNNAFSFmax tgm=tg m=20liluchang13例例4-4*已知:已知:不计凸轮与挺杆处摩擦,不计挺杆质量;不计凸轮与挺杆处摩擦,不计挺杆质量;求:挺杆不被卡住之求:挺杆不被卡住之a 值。值。解:取挺杆为研究对象,设挺杆处于卡解:取挺杆为研究对象,设挺杆处于卡住临界状态。住临界状态。liluchang14解得:解得:则:挺杆不被卡住时,则:挺杆不被卡住
13、时,liluchang15例例4-5*已知:物块重已知:物块重 P,鼓轮重心位于鼓轮重心位于O1处,闸杆重量处,闸杆重量不计,各尺寸如图所示。求:制动鼓轮所需铅直力不计,各尺寸如图所示。求:制动鼓轮所需铅直力F。解解:(1)设鼓轮被制动处于平衡状态,设鼓轮被制动处于平衡状态,取鼓轮为研究对象。取鼓轮为研究对象。O1(2)取闸杆为研究对象。取闸杆为研究对象。liluchang16GOA 第第四四节节 滚动摩阻的概念滚动摩阻的概念-滚动摩擦滚动摩擦 1、滚动摩擦产生的原因:、滚动摩擦产生的原因:使滚子滚动比使它滑动省力。使滚子滚动比使它滑动省力。将这些力系向将这些力系向A点简化,得到一个主矢点简化
14、,得到一个主矢 FR 和一个主矩和一个主矩 m f ,主矢主矢 FR 分解成支反力分解成支反力N和滑动摩擦力和滑动摩擦力Ff (此处此处Ff F max).主矩主矩 m f 称为滚动摩擦力偶矩,简称为滚动摩擦力偶矩,简称为滚阻力偶。称为滚阻力偶。m f 从何而来?分析滚动摩擦,必须考虑变从何而来?分析滚动摩擦,必须考虑变形的影响。物体接触面上受力情况较复杂。形的影响。物体接触面上受力情况较复杂。圆柱体放在水平面上,受力如图,圆柱体放在水平面上,受力如图,F与与Ff 形成一个形成一个力偶,即使力偶,即使F 很小,也将使圆柱体发生滚动。很小,也将使圆柱体发生滚动。但实际情况并非如此:力但实际情况并
15、非如此:力F 太小、接触面越软,滚太小、接触面越软,滚动越困难,而滑动更难。动越困难,而滑动更难。当力当力F不太大时,圆柱体保持平衡,说明必有一个不太大时,圆柱体保持平衡,说明必有一个阻力矩阻力矩m f 作用在物体上,与力偶(作用在物体上,与力偶(F,Ff )平衡。平衡。GOABGOBGOAliluchang172、滚动状态分析:、滚动状态分析:(1)、主动力)、主动力 F 由零逐步增大,而圆柱体处由零逐步增大,而圆柱体处于平衡状态,由平面任意力系的平衡方程,有:于平衡状态,由平面任意力系的平衡方程,有:(2)、当滚子处于将滚未滚的临界状态时,滚动摩阻力偶矩达到最)、当滚子处于将滚未滚的临界状
16、态时,滚动摩阻力偶矩达到最大值,大值,m f m max,称为最大滚动摩阻力偶矩,称为最大滚动摩阻力偶矩m max 。、当当Fr m max 时,滚子处于滚动状态。此时,仍有时,滚子处于滚动状态。此时,仍有 m f m max。、当、当F(Ff)F max 时,时,滚子处于滑动状态。实际上,由于滑动滚子处于滑动状态。实际上,由于滑动摩擦因子较大,圆柱滚动前不会发生滑动。摩擦因子较大,圆柱滚动前不会发生滑动。GOAliluchang18GOBGOA 滚动摩阻力偶矩滚动摩阻力偶矩m f 的大小随主动力矩的大小的大小随主动力矩的大小而变化,而变化,0m f m max。最大滚动摩阻力偶矩最大滚动摩阻
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