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摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的起源
閱讀：512發(fā)布時(shí)間：2024-4-24
早期人類靠捕魚為生，過著茹毛飲血的生活。傳說遂人氏發(fā)現(xiàn)，鳥在啄燧木時(shí)，有火星迸出，于是從中受到啟發(fā)，折燧木枝以鉆木取火；這在古籍《韓非子·五蠹》、《拾遺記》、《古史考》以及《漢書》中都有記載。鉆木取火是非常偉大的發(fā)明，從此，人類脫離了茹毛飲血的生活，從而進(jìn)入文明時(shí)代。鉆木取火的根據(jù)是摩擦生熱原理。木頭這種材料本身較為粗糙，在摩擦時(shí)，摩擦力較大，會產(chǎn)生大量的熱量，加之木材本身就是易燃物，所以就會生出火來。在舊石器時(shí)代晚期，爪哇的猿人、北京猿人及后來的海德堡人、尼安德特人等都掌握了鉆木取火和用火石摩擦取火的技能。這種對摩擦取火的靈感很可能來自于現(xiàn)實(shí)生活中所見到的自然現(xiàn)象：干燥的樹枝或者是草在風(fēng)的作用下互相摩擦起火。電影《魯濱遜漂流記》中的主人公漂流到荒島上鉆木取火的鏡頭令人印象深刻。幾經(jīng)嘗試，魯濱遜的手都被木刺扎破了，火才被點(diǎn)著，可見最為原始的鉆木取火還是非常困難的。直至新石器時(shí)代，人類發(fā)明了皮帶鉆和弓鉆以及用鹿角、骨頭、石頭做成的軸承，鉆木取火才逐漸容易起來。據(jù)調(diào)查，黎族地區(qū)至今還保留著人工取火的傳統(tǒng)。
鉆木取火可以看作人類最早掌握的與摩擦相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)之一。摩擦科學(xué)與技術(shù)所研究的內(nèi)容本質(zhì)上是一種自然現(xiàn)象，任何物體接觸表面的相對運(yùn)動都存在著摩擦，有摩擦就必然會產(chǎn)生能量消耗或表面材料的磨損，利用摩擦或降低摩擦是人類在發(fā)展過程中與自然作斗爭的重要內(nèi)容。摩擦科學(xué)與技術(shù)也是自然科學(xué)與社會科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。這種自然科學(xué)與社會進(jìn)步統(tǒng)一的學(xué)科特征，為不同時(shí)代的科學(xué)家在摩擦科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究提供了挑戰(zhàn)，也為摩擦科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。單單就鉆木取火所用裝置本身來說，后來人們開始采用鹿角或骨頭制作的軸承。出現(xiàn)的與摩擦有關(guān)典型器件可以歸結(jié)如下。
公元前3500年，人們開始使用車輪；而出現(xiàn)輪式運(yùn)輸工具的最早證據(jù)是美國考古學(xué)家Baldia在位于敘利亞的晚期Uruk遺址發(fā)現(xiàn)的，那里出土了一個(gè)帶有輪子的模型和“貨車"的壁畫，這些東西是先民在距今6400~6500年前留下的。
幾乎所有的文明古國早在幾千年前就用藤、竹編成索，借以過河渡人，我國古代稱為“懸渡"或“溜索"。通常認(rèn)為是怒族人發(fā)明和使用溜索，據(jù)說最早是因?yàn)樗?/span>們看見蜘蛛在樹間織網(wǎng)、來回爬行而受到啟發(fā)；李約瑟認(rèn)為南美洲的古索橋是約公元前7世紀(jì)由中國人傳到那里的。
公元前2000年左右，我國出現(xiàn)涉及系統(tǒng)的摩擦科學(xué)與技術(shù)的產(chǎn)品如古代戰(zhàn)車、滑車以及木制滑動軸承等。
公元前1880年，古代埃及人使用滑橇搬運(yùn)巨大石像，其中有人將滑道上噴灑液體，可能是某種潤滑劑；著名專家道森(Dowson)估計(jì)搬運(yùn)過程的摩擦系數(shù)約為0.23。
據(jù)《物原》記載：“史佚始作轆護(hù)"。史佚是周代初期的史官。早在公元前1100多年前漢族勞動人民已經(jīng)發(fā)明了轆韓。到春秋時(shí)期，轆護(hù)就已經(jīng)流行。
公元40年，羅馬帝國的尼米湖曾出現(xiàn)推力球軸承；至公元1世紀(jì)左右，羅馬帝國輝煌的一段時(shí)間里，軍隊(duì)工程師利用摩擦科學(xué)與技術(shù)設(shè)計(jì)作戰(zhàn)機(jī)械和防御工事。
對摩擦科學(xué)與技術(shù)提出科學(xué)論斷的一位科學(xué)家是文藝復(fù)興時(shí)代的達(dá)·芬奇(LeonardoDaVinci,1452—1519),他是一位杰出的工程師和藝術(shù)家，他的探索精神使他具有廣泛的研究興趣。除了在哲學(xué)和藝術(shù)領(lǐng)域卓有成就外，他對摩擦科學(xué)與技術(shù)方面的研究同樣作出了不朽的貢獻(xiàn)。如在對機(jī)器的設(shè)計(jì)中，觀察到摩擦的約束本質(zhì)以及摩擦對螺旋千斤頂及齒輪結(jié)構(gòu)的影響；他最先提出了摩擦的科學(xué)定義，通過對處于水平和傾斜面上兩物體的摩擦阻力的測量，總結(jié)出摩擦力取決于法向載荷而與名義接觸面積無關(guān)，并定義摩擦系數(shù)是摩擦力與法向載荷之比，并得出其比值為0.25,這是人類對摩擦力進(jìn)行定量的研究。遺憾的是，這些工作在很長時(shí)間都未出版，他的這些工作并沒有對科技產(chǎn)生重大作用。
在16世紀(jì)，軸承材料有了很大發(fā)展。1684年，Hooke把鋼軸頸和青銅軸瓦組合成車輪軸承，它比木質(zhì)軸頸與鐵質(zhì)軸瓦的組合要好得多。
在此期間，有關(guān)摩擦科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的文字記錄非常少，直到1699年，法國物理學(xué)家阿蒙頓(Amontons)研究了兩個(gè)平面之間的干摩擦之后，再次發(fā)現(xiàn)摩擦學(xué)的兩個(gè)定律：第一，阻止界面滑動的摩擦力與正壓力成正比；第二，摩擦力的大小與接觸面積無關(guān)。他在摩擦科學(xué)技術(shù)方面有其見解，特別是在摩擦阻力的測量方面開展了大量的工作：以銅、鐵、鉛和木材等不同材料組成配對副，并在摩擦時(shí)在界面涂抹油脂，采用彈簧加載方法測量系結(jié)在彈簧一端的滑頭開始滑動時(shí)所需的力。他認(rèn)為，雖然材料的組合及滑頭大小不同，但所測量的結(jié)果基本相近，即摩擦阻力約為法向載荷的1/3。另外，他認(rèn)真地研究了摩擦過程，認(rèn)為摩擦阻力是摩擦界面微凸體間互相嚙合的結(jié)果，從而揭示了表面粗糙度對摩擦的影響作用，也為古典的摩擦理論——機(jī)械學(xué)說奠定了基礎(chǔ)。阿蒙頓在摩擦領(lǐng)域的研究使他在摩擦學(xué)發(fā)展的占有重要地位。在17世紀(jì)末，大學(xué)生們的機(jī)械設(shè)計(jì)課程幾乎不考慮摩擦，因而在所有的與運(yùn)動相關(guān)的課程中，機(jī)器對摩擦的影響都沒有引起足夠的重視；而摩擦對機(jī)器性能的影響在當(dāng)時(shí)已顯得非常明顯，因此他提議在大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)課程中設(shè)置摩擦學(xué)內(nèi)容，從此造就了一代代具有摩擦學(xué)知識的機(jī)械工程師。
這些發(fā)現(xiàn)后來被法國物理學(xué)家?guī)靵?/span>(Coulomb)修正，他補(bǔ)充了第三條摩擦定律，即滑動摩擦力與速率無關(guān)，并且對靜摩擦和動摩擦作了明確的區(qū)分?？梢哉f，庫侖是18世紀(jì)摩擦學(xué)領(lǐng)域代表性的人物。為了探討工況因素對摩擦的影響，他將不同材料，在不同的潤滑狀態(tài)、速度、應(yīng)力和試驗(yàn)時(shí)間(從0.5s到4d)條件下測量其摩擦阻力(對于有些材料，他還考慮了濕度、溫度和真空等環(huán)境因素)。庫侖基于測量結(jié)果從如下角度進(jìn)行了討論：①在“庫侖"接觸過程中材料及表面層的性質(zhì)；②表面積的范圍；③法向載荷；④接觸時(shí)間對摩擦的影響。他得出如下結(jié)論：多數(shù)情況下，摩擦與載荷成正比而與接觸表面無關(guān)；黏附對摩擦有影響，但比例非常小。
幾乎是同一時(shí)代，牛頓(Newton)在1668年提出了黏性流體的基本理論。一直到19世紀(jì)后期，人們對摩擦科學(xué)技術(shù)中的潤滑作用才有了科學(xué)認(rèn)識。實(shí)際上，人們對流體動力潤滑原理的認(rèn)識，始于1884年Tower的試驗(yàn)研究、1886年雷諾(Reynolds)對其進(jìn)行的理論解釋以及潘曲夫(Petroff)的相關(guān)工作。此后，為了提高新型機(jī)械的軸承可靠性，流體動力軸承的理論及實(shí)踐發(fā)展得非?？臁Ｏ鄬τ谀?/span>擦和潤滑的理論和技術(shù)的發(fā)展而言，磨損研究起步較晚，它基于大量的試驗(yàn)工作。直到20世紀(jì)中期，對磨損進(jìn)行的研究還比較少?；魻柲?/span>(Holm)是最早對磨損研究做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)的先驅(qū)者之一。
隨著兩次工業(yè)革命的洗禮以及第三次工業(yè)革命的醞釀，蒸汽時(shí)代結(jié)束電氣時(shí)代的到來，工業(yè)的巨大發(fā)展推動了摩擦科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，對摩擦科技各方面知識的需求也急速增長，有必要將現(xiàn)有的知識組合產(chǎn)生一門新的學(xué)科。
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