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段子手宣言:纤维中的摩擦力 精选

已有 9372 次阅读 2016-5-2 01:22 |个人分类:乱七八糟|系统分类:观点评述

1.

   曾工发表了关于摩擦力的段子(http://blog.sciencenet.cn/blog-531950-969231.html), 置顶。这有点意思,所以我代表全体段子手先谈谈,以断了喆学家的置顶之路。

2.

   摩擦力是一种等效力。我们来做一个等效力的示意模型如下:

   我们用比喻的方式来说明摩擦。不管是由于表面的不平整,分子间的排斥或吸引,我们统一用一个比喻来表现他们:就是宝宝在一边,轩轩在另一边,当宝宝和轩轩手拉手,两个平面之间就不愿走。那么什么时候摩擦力小?就是很少的宝宝抓到轩轩的手的时候;什么时候摩擦力大?就是宝宝们都能抓住轩轩们的时候。

   压力起什么作用?压力就是将大宝宝和大轩轩压扁,让小宝宝和小轩轩能够手拉手,故此压力大摩擦力就大。

   这个时候我们就可以写公式了(以下S代表接触面积,f代表摩擦力):

         $f=S \cdot (hand-in-hand \space rate)$                               (1)

而hand-in-hand rate则会与单位表面所受的正压力,即压强,正相关-但不一定是成正比例。

   当非线性项作用比较弱的时候,我们就可以得到我们通常用的摩擦力公式:

如果    

         $hand-in-hand \space rate=\mu \cdot\frac{N}{S}$

则      

         $f=S\cdot \mu \cdot\frac{N}{S}=\mu\cdot N$                             (2)

这里$\mu$即线性项的系数,也就是我们平时所说的摩擦系数,当然有动摩擦和静摩擦之分(动起来的时候,轩轩抓宝宝就困难一些)。而$N$代表正压力。

   但是当我们考虑非线性项时,情况就比较复杂。如果我们将宝宝-轩轩模型进行到底,可以想像,最后宝宝和轩轩都大大小小地牵完手了,这个时候:

        $hand-in-hand \space rate=C_{1}$

则       $f=S\cdot C_{1}$     $if \space N/S>N_{0}/S$                                   (3)

从压强比较小(公式(2))的线性情况,到压强比较大压强不再起主导作用(公式(3))之间可以有很多过渡的方式。当然,如果不做严格的计算,再考虑在纤维中不同接触方式使得模型的参数具有分散性,那么粗略地用如下公式表示过渡过程:

          $f=\mu _{1} \cdot N\cdot S$                                                    (4)

表示在这个过渡过程中,摩擦力随着面积和压力都会增加也是可以的。

   但是的但是,曾工原文的公式中p(x)就是单位长度上的压力,即以长度计的压强,所以p(x)dx的含义就是正压力!和我这里公式(2)的含义是一模一样!因此,我快气疯了!我从公式(3)到公式(4)的分析全完蛋了!宝宝和轩轩也被气疯了!而段子手高山就直接去找他的小保芳姐姐去了!


3.

    因此,我们恭恭敬敬地将曾工的公式复制下来:

                        $F=\int_{a}^{a+l}n\cdot \mu P(x)dx$                               (5)

    这里$\mu$是摩擦系数,$P(x)dx$是从a到a+l这么一段丝的每段微元受到的正压力。 “那么”段子手刘进平问道:“n”又是什么呢?OK,如下图:                                    

假设受到了压力N,那么我们看到图中的6个表面,都受到了正压力N,因此用来抵消拉力的摩擦力就是六个面的叠加。因此大家挤在一起,摩擦力形成的合作力量就增加了!“n”就是这个意思,表示有多少表面在一个正压力的作用下形成合力,来对付拉力。

4.

   陆绮mm向来眼尖,马上发现了问题:正压力N哪里来的呢?纠缠啊!对,纠缠!就是将这些丝捻转在一起(对于纤维来说,你不捻转他们也要纠缠,比如高山。),那么当它们受到拉力的时候,这些纠纠缠缠的纤维都斜着身子,将一部分拉力转成了正压力,这些正压力带来了摩擦力,也就是所谓的“抱合力”。

   从抱合力的机制出发,我们可以看到纤维越长,就越能多转着纠缠几圈,虽然这不能改变公式(5)的任何形式,但是从受拉方向来看,这个张力就被平摊了。这和螺丝的螺纹转的圈数越多,越能抵抗拉力和螺丝轴向压力是一个道理。

   因此,我只好揣摩着,以段子手陆绮的名义,画了下面这幅画:(当然,水平坑定比不上段子手陆绮,更比不上刘进平和高山了。)


5.

这是生物学界的段子手宣言!纤维越细,n越大;纤维越长,越纠缠。它们合起来,就越抗拉,所以,不会画图的生物学家不是好的段子手!



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