滾動摩擦

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簡介

滾動摩擦是指物體在表面上滾動時，阻礙其運動的摩擦力型別。與滑動摩擦相比，滾動摩擦有助於最大程度地減少物體與表面之間的摩擦，並且滾動摩擦相對較小。滾動摩擦允許物體在表面上平穩地滾動並滾上山坡。行李箱上的輪子就是基於滾動摩擦的原理，因為它可以透過輪子輕鬆地滾動和移動。在某一點，由於粗糙度、重量和彈性等某些因素，表面和物體在滾動摩擦中會發生變形。滾動摩擦的方向與滑動摩擦的方向相似。

什麼是滾動摩擦？

滾動摩擦是指任何物體在另一個物體上滾動時發生的摩擦力。 “無滑動旋轉”的物體承受的是滾動摩擦，而不是動摩擦。這種型別的摩擦與滑動摩擦相反，在滑動摩擦中，物體的特定一側在整個運動過程中始終與表面接觸。研究表明，與滑動摩擦相比，滾動摩擦的幅度通常較小（Xie，Ma & Zhao，2019）。滾動摩擦受多種因素影響。滾動摩擦的公式為$\mathrm{F \:=\:C_{rr}N}$，其中F是力，$\mathrm{C_{rr}}$是無量綱的滾動阻力系數，N是法向力。

圖 1：滾動摩擦

影響滾動摩擦幅度的最常見因素是表面變形和內部壓縮，即表面以下的運動。其他因素，如車輪直徑、滑動和表面粘附以及接觸面之間的相對滑動也會影響滾動摩擦（Maeda & Iwasaki，2018）。由於微滑動因素，沙子通常比混凝土等固體表面提供更高的滾動摩擦。

滾動摩擦定律

滑動摩擦定律不能以類似的定量術語應用於滾動體，但以下是一些滾動摩擦定律的一般性規律

• 滾動摩擦力 (F) 與負載 (L) 成正比，與曲率半徑 (r) 成反比。F = r L/r，其中 r 表示以英寸為單位的滾動阻力系數 (Shcherbakov et al. 2021)。摩擦力隨著半徑的增大而減小。

• 滾動摩擦力 (F) 表示為負載 (L) 的摩擦力的冪乘以常數 k。$\mathrm{F = kL^n}$，其中冪 (n) 和常數 (k) 是透過實驗確定的。

• 隨著滾動部件光滑度的提高，滾動摩擦力減小。

什麼是滾動摩擦係數？

滾動摩擦係數是指“滾動摩擦”與物體最終重量的比率。從經驗上講，它可以表示為$\mathrm{F_r = \mu_r\: W}$。在這個公式中，F_r表示滾動阻力，μr表示滾動阻力系數，W表示重量。滾動摩擦係數以公式方式計算為μ_r = F/G。F是指在行駛方向上水平拉動輪胎軸所需的力（Ndiaye et al. 2021）。G表示輪胎的垂直載荷，預計輪胎將在水平的平坦表面上滾動。

滾動摩擦產生的原因是什麼？

摩擦的基本原因是變形能量大於恢復能量。兩個表面之間存在粘性力，需要持續克服（Hayashi et al. 2020）。摩擦量取決於某些因素，例如負載、表面質量、滾動物體的直徑、物體表面積和滑動物體的質量。

圖 2：滾動摩擦

滾動摩擦的原因與摩擦的原因幾乎相同，即僅發生變形。當某物或物體在特定表面上滾動時，會發生某些情況（Tiwari，Miyashita & Persson，2019）。運動發生在表面以下，是表面和物體變形的產物。在與表面的接觸點處可以看到物體的變形。在與物體的接觸點處可以看到表面的變形。

滑動摩擦和滾動摩擦有什麼區別？

滾動摩擦	滑動摩擦
當物體在任何表面上滾動時發生。	當兩個表面相互摩擦時發生。
表面變形是滾動摩擦的主要原因。	微觀表面的互鎖是滑動摩擦的主要原因
滾動摩擦係數為$\mathrm{F_r\: =\: \mu_r N}$	滑動摩擦係數為$\mathrm{F_k\: =\: \mu_r N}$

表 1：滾動摩擦和滑動摩擦的區別

示例

圖 3：汽車的滾動摩擦

籃球在球場上滾動最終可能會因滾動摩擦而停止。寬輪胎的汽車可能會因滾動摩擦增加而消耗更多燃料（Ciornei et al. 2019）。球在草地上滾動的距離可能比球在粗糙的地板上滾動的距離短，因為它在當前表面上可能遇到更大的滾動摩擦。

結論

滾動摩擦的一種特殊型別稱為牽引力。滾動通常是旋轉和平移運動的一種形式。滯後損耗主要取決於所涉及表面的材料特性，影響滾動摩擦的發生。滾動摩擦通常被認為是最弱的摩擦型別。其係數取決於滾動物體的半徑、物體下沉的深度和表面粗糙度。滑動摩擦係數在一定程度上取決於表面紋理和溫度，而不依賴於外部因素。

常見問題

Q1. 哪些因素會影響車輛的滾動阻力？

A1. 影響滾動摩擦變化的因素包括輪胎直徑、輪胎氣壓、輪胎寬度、輪胎花紋和輪胎結構。當壓力最大化且輪胎變形最小時，這些因素適用。

Q2. 滾動摩擦會隨著速度的增加而增加嗎？

A2. 滾動阻力的大小在最高速度下不會發生變化。騎腳踏車的人每秒消耗更多的能量，這是勞動力和滾動摩擦共同作用的結果。

Q3. 動摩擦是什麼意思？

A3. 動摩擦是指兩個運動表面之間產生的摩擦。動摩擦的公式為$\mathrm{F_f\: =\: \mu_k FN}$。

Q4. 滾動摩擦係數的單位是什麼？

A4. 滾動摩擦係數的單位是牛頓 (N)。這種摩擦的方程式類似於滑動摩擦和靜摩擦。