力学基本概念-【库伦摩擦】
库伦摩擦的定义与核心概念
01
库伦摩擦的定义与核心概念
01
库伦摩擦定律（Coulomb’s Law of Friction）是描述两个接触固体表面间滑动摩擦力的经典理论，由法国物理学家查利·奥古斯丁·库仑（Charles Augustin Coulomb）于1781年系统提出。其核心内容包括：
(1) 最大静摩擦力
当物体处于静止但存在相对滑动趋势时，静摩擦力的大小与法向压力（即垂直于接触面的正压力）成正比，数学表达式为：
其中
为静摩擦系数，N为法向力。静摩擦力可在0到最大值之间变化。
(2) 动摩擦力
当物体发生相对滑动时，动摩擦力的大小同样与法向压力成正比，表达式为：
动摩擦系数
通常略小于静摩擦系数，且可能随滑动速度变化。
(3) 定律的普适性
摩擦力与接触面积无关，仅取决于材料性质和表面状况（如粗糙度、温度、湿度等）。
想象你要推动一个装满书的箱子：
第一秒：拼尽全力，箱子纹丝不动→静摩擦力“锁死”地面。
第二秒：突然“咔”一声，箱子动了→你刚刚突破了最大静摩擦力！
第三秒：箱子越滑越快→此时只需对抗更小的动摩擦力。
库伦定律的终极奥义：
摩擦力 = 摩擦系数 × 压力
（压力就是物体有多“重”，摩擦系数看材料多“糙”）
举个栗子：
木箱在地板上（μ≈0.3）：摩擦力=0.3×箱子重量
橡胶底鞋在冰面（μ≈0.1）：摩擦力=0.1×你的体重→所以你会打滑！
库伦摩擦定律是工程力学的重要基础，广泛应用于机械设计、土木工程和材料科学等领域，但其本质为经验公式，对复杂摩擦现象的精确描述存在局限性。
局限性表现在以下方面：
（1）经验性公式，未涉及微观接触机制（如表面粘附、分子间作用力）。
（2）忽略温度、表面粗糙度动态变化及高速滑动下的热效应。
历史背景与提出者贡献
02
历史背景与提出者贡献
02
库伦摩擦定律是由法国工程师和物理学家查利·奥古斯丁·库仑（Charles Augustin Coulomb）在18世纪提出的。他在马提尼克岛担任要塞建设工作期间，进行了大量的摩擦力实验，最终提出了库伦摩擦定律。
库伦摩擦定律描述了两个接触面之间的摩擦力与正压力之间的关系，即摩擦力与作用在摩擦面上的正压力成正比，与接触面的面积无关。这一理论不仅在力学领域具有重要意义，还被广泛应用于土木工程、材料科学和机械工程等领域。
库伦的摩擦研究工作不仅总结了前人的成果，如达·芬奇和阿蒙顿的摩擦定律，还通过系统的实验验证了这些定律的有效性。他的研究将摩擦现象的认识从定性提高到了定量水平。
库仑（1736–1806）是法国工程师与物理学家，于1736年出生于昂热，1758年迁居巴黎，并在皇家军事工程学院学习土木工程，其科学贡献涵盖力学、电磁学及工程学。
- 多领域创新：发明扭秤测量电磁力，提出弹性扭转定律，奠定土力学中的莫尔-库伦强度准则，并设计沉箱用于水下施工。
- 学术竞赛成果：1781年以摩擦研究论文赢得法国科学院竞赛，推动了机械效率优化。
与其他摩擦模型的区别与联系
03
与其他摩擦模型的区别与联系
03
（1）静摩擦与动摩擦
静摩擦阻止相对运动启动，动摩擦阻碍已发生的滑动；实际中最大静摩擦力通常大于动摩擦力，但库伦模型早期未严格区分两者。
（2）粘性摩擦
与速度线性相关（
），常见于流体润滑界面，与库伦摩擦的恒定性形成对比。
（3）Stribeck摩擦
描述低速下摩擦力随速度先减后增的“负斜率”现象，补充库伦模型在精密控制中的不足。
（4）干摩擦与润滑摩擦
库伦定律适用于干摩擦或边界润滑，而润滑摩擦需结合流体动力学模型。
3个生活实验，秒懂摩擦力的“怪脾气”
04
3个生活实验，秒懂摩擦力的“怪脾气”
04
实验1：平放的砖 vs 竖放的砖，谁更难推？
（配图：平放的砖和竖放的砖块）
· 反直觉真相：推动平放的砖和竖放的砖（重量相同），需要的力居然一样！
· 库伦定律的怪规则：摩擦力只和总重量有关，和接触面积无关！
实验2：湿手为什么拧不开瓶盖？
· 关键变量：水降低了手和瓶盖的摩擦系数μ！
· 破解技巧：垫纸巾→吸走水分，恢复干燥表面的高μ值。
实验3：轮胎花纹是“作弊神器”？
· 静摩擦力的胜利：刹车时，轮胎花纹增加粗糙度，μ值飙升→摩擦力足够让车停下。
· 反面教材：冰面μ≈0.1，轮胎打滑→摩擦力=0.1×车重，根本刹不住！
总结
05
总结
05
库伦摩擦定律作为古典摩擦理论的基石，通过简洁的数学关系揭示了宏观摩擦力的基本规律，至今仍是工程设计的核心工具。尽管其适用范围受限于特定条件（如干燥、低速接触），但通过与现代摩擦模型（如Stribeck、LuGre）的结合，库伦理论在机器人、精密机械和材料科学中持续发挥重要作用。未来研究需进一步融合微观机制与宏观现象，推动摩擦学向更高精度与更广适用性发展。
