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传统的摩擦机制包括干摩擦、边界摩擦、混合摩 擦和流体动力学摩擦 。干摩擦是两个固体表面在没 有润滑层时直接接触发生的摩擦。但对于冰雪表面摩 擦而言,即使在极低的温度条件下,冰雪表面依然存 在非常薄的准液态水层,可以起到润滑作用,因此,在 大气条件下冰雪表面并不存在真正的干摩擦。根据冰 雪表面润滑层的厚度,将冰雪摩擦分为边界摩擦(润滑)、混合摩擦(润滑)和流体动力学摩擦(润滑),当冰 雪表面润滑层的厚度远低于表面粗糙度时,发生的摩 擦为边界润滑,法向载荷主要由相互接触的凹凸表面 承担;随着润滑层厚度进一步增加(滑行速度提高或接 触面温度升高),但仍然低于表面粗糙度,摩擦机制由 边界摩擦过渡为混合摩擦[见图2(a)],此时施加的载荷由润滑层与粗糙表面共同承载,在发生混合摩擦时, 由于润滑层厚度增加,粗糙表面上毛细作用形成液 桥,阻碍接触表面之间的相对运动,摩擦系数会随润 滑层的增加而上升;当润滑层厚度大于表面粗糙度 时,由于流体动力的作用,两个表面完全被润滑层隔 开,此时发生的摩擦方式为流体动力学摩擦[见图2(a)], 固体表面之间的直接接触和固体间的黏着作用影响 减弱,润滑层的黏度、毛细作用形成的液桥和冰雪在 该温度下变软而发生的塑性形变是摩擦系数增大的 关键因素。
雪上摩擦是1个非常复杂的过程,是由犁沟效应、 水润滑摩擦、干摩擦、毛细吸力和污染物吸收等几种 摩擦的综合效应造成的。而摩擦系数是描述滑雪板在 雪地上滑行的基本的、通用的度量 。1992年,Colbeck 用摩擦力和法向力的比值来描述滑雪时的总摩擦系 数,假设不同摩擦分量是相互独立的,因此,雪上摩擦 系数可描述为。
式中:µtotal为滑雪板滑行面与雪面之间的摩擦系数; µplow为雪面犁沟效应产生的摩擦系数;µdry为雪面固体 变形产生的摩擦系数;µlub和µcap是由于冰晶表面水润 滑和毛细作用产生的摩擦系数;µdirt代表的是雪面污 染物引起的摩擦系数。但是实际上,不同的摩擦机制 之间并不是独立的。滑雪板和雪面之间的摩擦热所产 生的水膜的厚度决定了不同摩擦形式的分布。Colbeck 的经验模型虽然没有涉及µplow和 µdirt,但其考虑了水膜 的厚度,将滑雪板面与雪面之间的摩擦力描述为
其中:h代表水膜厚度;β、ε和ξ是可以通过试验确定的 常数,但随试验条件的改变而变化。图2(b)显示了上述 μ、μdry、μlub和μcap与水膜厚度的关系:一定厚度的水膜 能够起到润滑作用,使得滑雪板与雪面之间的摩擦系 数最小。水膜过薄或者过厚都会影响到润滑作用,摩 擦系数显著增加。滑雪板和积雪之间水膜的厚度又 受到许多因素的影响,包括滑雪板基底的结构、材料 特性和积雪的状况、环境温度、速度和局部接触压力 等。其中,温度是影响水膜厚度的关键因素,并决定了 滑雪板的滑行能力 。Buhl的试验表明:聚乙烯滑雪 板在−3℃左右滑行速度最快,即摩擦系数最小 。在 此温度下,摩擦生热产生的水膜厚度适中。低于-5℃ 和高于0℃时,即水膜的厚度会发生变化。在低温条件 下,一方面,雪中液态水的含量较低导致其表面的水 膜很薄,滑雪板与雪面之间的主要摩擦机制为边界摩 擦。摩擦阻力则完全或部分来源于滑雪板与凹凸不平 的雪面之间的接触产生的塑性形变,或者来源于雪面 凸起的断裂。另一方面,雪的硬度较大,滑雪板从表面 滑过,会对滑雪板表面造成划伤。在温度较高的情况 下,例如0℃左右的湿雪,其液态水含量高,雪面的水 膜过厚,雪面与滑雪板之间会建立毛细吸力作用且占 主导地位 ,毛细吸力作用能够增大滑雪板表面与雪 面之间的粘附力,从而增大摩擦阻力。
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