滚动摩擦

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简介

滚动摩擦是指物体在表面上滚动时，阻碍其运动的摩擦力类型。与滑动摩擦相比，滚动摩擦有助于最大程度地减少物体与表面之间的摩擦，并且滚动摩擦相对较小。滚动摩擦允许物体在表面上平稳地滚动并滚上山坡。行李箱上的轮子就是基于滚动摩擦的原理，因为它可以通过轮子轻松地滚动和移动。在某一点，由于粗糙度、重量和弹性等某些因素，表面和物体在滚动摩擦中会发生变形。滚动摩擦的方向与滑动摩擦的方向相似。

什么是滚动摩擦？

滚动摩擦是指任何物体在另一个物体上滚动时发生的摩擦力。 “无滑动旋转”的物体承受的是滚动摩擦，而不是动摩擦。这种类型的摩擦与滑动摩擦相反，在滑动摩擦中，物体的特定一侧在整个运动过程中始终与表面接触。研究表明，与滑动摩擦相比，滚动摩擦的幅度通常较小（Xie，Ma & Zhao，2019）。滚动摩擦受多种因素影响。滚动摩擦的公式为$\mathrm{F \:=\:C_{rr}N}$，其中F是力，$\mathrm{C_{rr}}$是无量纲的滚动阻力系数，N是法向力。

图 1：滚动摩擦

影响滚动摩擦幅度的最常见因素是表面变形和内部压缩，即表面以下的运动。其他因素，如车轮直径、滑动和表面粘附以及接触面之间的相对滑动也会影响滚动摩擦（Maeda & Iwasaki，2018）。由于微滑动因素，沙子通常比混凝土等固体表面提供更高的滚动摩擦。

滚动摩擦定律

滑动摩擦定律不能以类似的定量术语应用于滚动体，但以下是一些滚动摩擦定律的一般性规律

• 滚动摩擦力 (F) 与负载 (L) 成正比，与曲率半径 (r) 成反比。F = r L/r，其中 r 表示以英寸为单位的滚动阻力系数 (Shcherbakov et al. 2021)。摩擦力随着半径的增大而减小。

• 滚动摩擦力 (F) 表示为负载 (L) 的摩擦力的幂乘以常数 k。$\mathrm{F = kL^n}$，其中幂 (n) 和常数 (k) 是通过实验确定的。

• 随着滚动部件光滑度的提高，滚动摩擦力减小。

什么是滚动摩擦系数？

滚动摩擦系数是指“滚动摩擦”与物体最终重量的比率。从经验上讲，它可以表示为$\mathrm{F_r = \mu_r\: W}$。在这个公式中，F_r表示滚动阻力，μr表示滚动阻力系数，W表示重量。滚动摩擦系数以公式方式计算为μ_r = F/G。F是指在行驶方向上水平拉动轮胎轴所需的力（Ndiaye et al. 2021）。G表示轮胎的垂直载荷，预计轮胎将在水平的平坦表面上滚动。

滚动摩擦产生的原因是什么？

摩擦的基本原因是变形能量大于恢复能量。两个表面之间存在粘性力，需要持续克服（Hayashi et al. 2020）。摩擦量取决于某些因素，例如负载、表面质量、滚动物体的直径、物体表面积和滑动物体的质量。

图 2：滚动摩擦

滚动摩擦的原因与摩擦的原因几乎相同，即仅发生变形。当某物或物体在特定表面上滚动时，会发生某些情况（Tiwari，Miyashita & Persson，2019）。运动发生在表面以下，是表面和物体变形的产物。在与表面的接触点处可以看到物体的变形。在与物体的接触点处可以看到表面的变形。

滑动摩擦和滚动摩擦有什么区别？

滚动摩擦	滑动摩擦
当物体在任何表面上滚动时发生。	当两个表面相互摩擦时发生。
表面变形是滚动摩擦的主要原因。	微观表面的互锁是滑动摩擦的主要原因
滚动摩擦系数为$\mathrm{F_r\: =\: \mu_r N}$	滑动摩擦系数为$\mathrm{F_k\: =\: \mu_r N}$

表 1：滚动摩擦和滑动摩擦的区别

示例

图 3：汽车的滚动摩擦

篮球在球场上滚动最终可能会因滚动摩擦而停止。宽轮胎的汽车可能会因滚动摩擦增加而消耗更多燃料（Ciornei et al. 2019）。球在草地上滚动的距离可能比球在粗糙的地板上滚动的距离短，因为它在当前表面上可能遇到更大的滚动摩擦。

结论

滚动摩擦的一种特殊类型称为牵引力。滚动通常是旋转和平移运动的一种形式。滞后损耗主要取决于所涉及表面的材料特性，影响滚动摩擦的发生。滚动摩擦通常被认为是最弱的摩擦类型。其系数取决于滚动物体的半径、物体下沉的深度和表面粗糙度。滑动摩擦系数在一定程度上取决于表面纹理和温度，而不依赖于外部因素。

常见问题

Q1. 哪些因素会影响车辆的滚动阻力？

A1. 影响滚动摩擦变化的因素包括轮胎直径、轮胎气压、轮胎宽度、轮胎花纹和轮胎结构。当压力最大化且轮胎变形最小时，这些因素适用。

Q2. 滚动摩擦会随着速度的增加而增加吗？

A2. 滚动阻力的大小在最高速度下不会发生变化。骑自行车的人每秒消耗更多的能量，这是劳动力和滚动摩擦共同作用的结果。

Q3. 动摩擦是什么意思？

A3. 动摩擦是指两个运动表面之间产生的摩擦。动摩擦的公式为$\mathrm{F_f\: =\: \mu_k FN}$。

Q4. 滚动摩擦系数的单位是什么？

A4. 滚动摩擦系数的单位是牛顿 (N)。这种摩擦的方程式类似于滑动摩擦和静摩擦。