从原子层面,摩擦力的本质是什么?摩擦生热和哪一个基本力有关?
这个问题很棒。
就宏观上看。摩擦力f,是例如汽车牵引力克服由于例如轮胎受到路面细微斜面的反弹力阻力f'。
该阻力对应着重力分力Gsinθ=N之弹力之摩擦系数μ之当量效应,简称“μ效应”。N的方向与路面垂直,f方向与加速度同向。
f=f'=μGsinθ...(1)。
式中,μ是摩擦系数,取决于材料表明特性,θ是路面坡度余角,可直接查μ表。
摩擦系数“μ表”(无润滑~有润滑):钢-钢0.15~0.1,钢-软钢0.1~0.2, 钢-铸铁0.3~0.2,钢-青铜0.15~0.18,软钢-铸铁0.2~0.18, 软钢-青铜0.2~0.18,铸铁-铸铁0.18~0.15,铸铁-青铜0.15~0.2,青铜-青铜0.1~0.2,皮革-铸铁0.3~0.5, 橡皮-铸铁0.8~0.5,木材-木材0.4~0.6。现在,我们来看微观层面,分析这个“μ效应”的来龙去脉。
大家知道,轮胎与地面之间的接触,既不可能是原子核的裸接触,否则会发生核反应。
也不可能是核外电子之间的裸接触,否则电子与电子的直接碰撞会发生湮灭反应。
那么,轮胎与地面之间的力或能量,是怎么传递的呢?有读者自然想到是两个原子内空间之间的场量子(或光子)作为载体。
有一点可能是鲜为人知的:原子内空间是核外电子的活动范围。
电子在绕核震荡时,其动能(Ek=½m₀v²),会激发原子内空间场量子变成光子动能(hf),表现为原子光谱。这里的光电效应方程是:
½m₀v²=hf=hc/λ...(2)
汽车的能量传递的过程链,是酱紫的:
①汽车牵引力周期性做功:W₁=½mv²...(3),m是转子质量,v是平均线速度。转换为摩擦力做功:W₂=W₁
②周期性摩擦挤压并激发原子内空间的光子动能:E(γ)=(m/m₀)hf...(4),γ是场量子(光子),m₀是电子质量。(4)能量有两个分配:
④一部分用来加速电子运动,使内空间升温:½m₀v²=1.5kT...(5),属于热能损耗。
⑤一部分用来获得反作用的库仑电磁能,作为有效的摩擦牵引功:W₃=μW₁=½μmv²...(6)。
同时对应:W₃=(m/m₀)ke²/r...(7),r是电子绕核平均轨道半径。
假设:轮胎与地面摩擦系数μ=0.6,汽车发动机输出的轴功率为100千瓦,以下按1秒时间,估算能量转换。
每个轮胎获摩擦功:W₂=25千焦。其中,一部分消耗在热损耗,使轮胎与地面发热;
另一部分是“μ效应”,用于有效的摩擦牵引功:W₃=μW₂=0.6×25=15千焦。
由此亦可反推:核外电子平均轨道半径、热损耗的平均温度,读者不妨可以试算一下。
当然,最好是借助严格的实验测试。有人偏要走哥派量子论,也不妨写在评论区,恭候。
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