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为什么润滑油可以减少零件之间的摩擦?

2014-05-16科学

这是个很有趣的问题,但我知道你们没图看不下去,所以我上图图图图图图图!


按照谢耳朵提出的经典教学法,在我们可以讨论任何润滑相关的问题之前,我们首先要明白什么是「润滑」,「润滑」之所以能够「滑」的原因在哪里。


各位同学请清空膀胱,随我一起穿越那几千年的光阴回到那个烈日下燥热的古埃及

话说卡迪里克埃米尔是在古埃及第五王朝尼乌塞尔法老王统治下艰难求生的一名普普通通的石刻师。


「哦,天哪,这帮该死的大人们,看在神的份上!这不是一个人能完成的任务!」埃米尔嘟囔道,同时畏缩的看了看不远处监工手中的鞭子,叹了口气。


「嘿,我的老伙计,」他看了看手中的锤子「看看我们今天干了什么,这真是艺术!这些愚蠢的像驴子一样的监工才不会理解它们,天哪,我的作品会一直流传下去的!」埃米尔激动了起来,痴痴的看着眼前这几天来的成果

「嘿,是谁让你偷懒的!」带着啸声的一鞭袭来,其中竟隐隐蕴含了混沌斗气,劲风搅的周围的空气都隐隐卷曲,这一鞭之威竟恐怖如斯!


埃米尔面色骤变,这明明是军方的精锐部队-混乱之蛇中的人才能修习的特殊功法,在这法老王的墓中为何会有军方的人?这其中恐是有变!念及于此埃米尔不躲反进,将锤子交到左手,顺势举起既要架住这风雷一鞭,右手隐隐握成拳寻着间隙准备反攻。

然而他终究低估了被饥饿侵袭的身体状况


轰!鞭子正中埃米尔的面门,一丝诡异的斗气顺着他的鼻孔钻入体内顺势一搅,体内似有千百个星辰寂灭,经脉于一瞬回归宇宙奇点混沌状态!埃米尔!卒!!


「呸,渣滓,」监工轻啐一声,眼中精光一闪「来人啊,把我带来的人拉上来替他!」


「嘿,你们这些虫子,好好干活!小心我用靴子狠狠踢你们的屁股!我发誓我真的会这样做的!」监工呼喝到


时间的车轮滚滚转动,后世史学家统称这一天为「血墓之日」,普遍认定埃米尔の石刻为后世一系列事件的开端。


原因就在那幅壁画里!

公元前2400年古埃及人已经掌握了像重物下倾倒「油」以达到减少摩擦系数方便位移的「润滑」目的!这就是有记载的最早的「润滑」学应用!


哎哎哎,别走啊同学,我好好说话!


言归正传,让我们看看经过了几千年的发展,现在的「润滑」发展成了什么样子

提到「润滑」,首先我们想到的一定是润滑油了吧,小到我们小时候玩的四驱车大到我们长大后开的大汽车,无数的齿轮轴承都需要它们的维护才能正常稳定的运转。


当然,作为一个传承了几千年的古老而又神秘的综合学科,润滑一词怎可止步于此!

固态润滑膜,尤其是表面加工中的包涂(coating),就像一位默默付出却不敢表白的处女座少女,总是在你不注意的地方默默地付出。地板上打上一层蜡,屏幕上镀上一层膜,可以使材料本身与空气隔绝,减少因氧化或接触空气中的有害物质对材料造成的损害,达到延长材料使用寿命和美观光洁的目的。 更重要的是其形成的镜亮表面特别持久耐用,能防止洗涤剂、划痕、滑擦等伤害。


能不能再给力点?


那么就决定用你了,回来吧,固态润滑!上吧!生物润滑!

我们为什么要用护发素呢?因为护发素中的润滑剂成分在我们的发丝表面形成了一层膜,起到了分隔发丝的作用,这样既可以避免发丝间摩擦造成的损伤,又可以 避免头发粘连造成,使得头发看起来又多又厚


我们为什么用隔离霜护手霜呢?因为他们就像地板上的蜡一样将皮肤与空气隔开,减少氧化,避免与空气中的有害物接触。同时他也会发动身为一个润滑剂的本身作用,让你的小手小脸摸起来嫩嫩的滑滑哒


最后,我们万能的润滑剂还可以注射到你的身体里代替不负责任的软骨,让你不仅可以小跑,还可以大跳了!


所以说,生活中我们离不开润滑,但是这就说明我们真的懂润滑了吗?


润滑的关键不在于「滑」,而是「分离」


要想理解如何让润滑起作用,我们首先要明白摩擦是如何产生的(举例时间到!)

比如说我们有一个金属板,你趴在边上仔细看它,你也许会看到它表面是这样的

恩,总体上来说还是个平坦的,摸起来还是滑滑哒


那么把它放大点呢?

这啥啊,像得过青春痘的脸一样坑坑洼洼的表面真的是刚才那个固体的表面吗,它是卸妆了吗?


我们继续作的放大

这心电图般的妖娆曲线摸起来都该扎手了吧?


把它带回平面看看我们滑滑的金属板变成了什么

好了,现在我们只能无奈的认识到,凭借人类现在的工艺水平还无法制造出绝对光滑的表面(向三体人致敬),那么这些看起来光滑但是实际上坑洼不平的表面互相接触起来会发生什么呢?

从图里我们可以看出来,当这样的两个物体互相摩擦时,双方的凸起会互相碰撞接触,在这个过程中,二者相互运动的动能就转化为了其他形式的能(比如碰撞时物体形变产生的内能),反映到宏观上这就是因摩擦而引起的动能损失。当接触物体的表面越不平整,碰撞发生的几率越大,那么因摩擦造成的动能损失越多。


那么这位同学问到了,这么看来摩擦也没有什么大问题啊,我就是喜欢多用力去推他锻炼我傲人的胸大中小肌肱二三四头肌等三十二个肌不行吗?


这里又要提到摩擦所造成的磨损了,上面提到了凸起碰撞时产生动能转化成的内能可以使物体温度升高,这个瞬时升温甚至可以达到融化金属的程度,造成碰撞点的烧结粘连(通俗点就是把两个点焊成一个整体了),那么继续强行运动会打破这种烧结并造成物体表面损毁甚至卡死。所以说胸大无脑是没用的,还是好好学习吧!


那么聪明的人类学霸又是如何解决的呢?


好好听讲你就知道是像埃及人那样用一层切变强度低的介质分隔开两个固体从而减少摩擦产生的直接凸起碰撞了


下面是说人话环节

举个例子,我们有按图中所示方向运动的一个球状物和板状物,随着固体的运动黄色的润滑油被卷入到接触点中间,根据无处不在专注虐待莘莘学子100年的雷诺方程画出接触点间压强分布

我累个大擦上面的物体就这么被液体产生的液压垫起来了,好神奇有木有!


但是!到这一步就完美了吗?广大人民几千年的智慧就这么被这几张图总结了吗?当然不是!


我们还有更多的图….

请品尝这道Stribeck曲线….

这里又要引出润滑界的另一位变态Dowson,堪称处女座典范的此人和一些列人合作开发出了一串油膜厚度的计算公式,通过带入油的粘度,卷入速度,固体的杨氏强度等乱七八糟一系列参数,从此量化了不同接触情况下所能形成的油膜厚度,并被其他心机婊总结并编篡了上面的曲线图。


假设绿色部分为吸入的油膜,点状的为接触固体,那么我们就可以根据不同的油膜厚度分成了这三大区间:


边界润滑 – 形成的油膜厚度极薄,还存有大量凸起碰撞,接触点间的正压力还是主要由固体本身承担,但是可以通过混入添加剂形成化学反应层大幅提升润滑能力


混合润滑 – 昵称AA滑,油膜厚度可覆盖部分凸起,因此正压力由固体凸起和油膜共同承担


流体动压润滑 – 固体间不产生接触,完全被液体分开,但达到此情况所需的较高吸入速度会导致温度升高和剪切变稀,反而会使提高摩擦系数稍稍上扬

题主:我tmd问个问题你哪来的那么多废话!

那我们现在再用你学到的知识来看看水到底是不是个好的润滑剂


首先我们知道水是可以起到润滑效果的,如图

再瞧不起水下一个摔跤的就是你,哼


明确了水可以润滑,那它可不可以替代传统的润滑油呢?


可你妹,你以为发明润滑油的是傻子吗?

原因有以下几点,欢迎补充:

1. 水易挥发,不能久置于开放环境中限制了它的使用


2. 和传统润滑油这等由一坨坨碳氢分子组成的大分子量的怪物相比,清新脱俗的两氢一氧简直就是快要被饿死的软妹子,这就注定了它不会对我们的固体小伙伴死缠烂打(粘度低),导致形成的水膜厚度也极低,完全不能有效分开接触固体


3. 最后,水的结构决定了它不能混合润滑油神器—添加剂,连这最后一步迈向优质润滑油的机会也失去了,典型的出身决定一切,请节哀


综上,小水同学也就靠趁你不注意的时候滑你一跤或者伙同基友肥皂泡趁你洗碗时偷偷把你手上的戒指滑掉来找找存在感了,想起来也是萌萌哒~


关于爬树的问题,答主自幼不会轻功,手湿手干都只能在树底徘徊,感受不到题主的苦恼,实在惶恐。不过答主在家都是擦干了手才能拧开罐头的….


能看到这行字的同学,我敬你是条汉子!请在逍遥点赞榜上留下你的大名吧!