章志遠(yuǎn)　艾復(fù)俊　何貴男

摘 要：在分子（原子）層面上對(duì)滑動(dòng)摩擦力本質(zhì)作了簡(jiǎn)述，并聯(lián)系生活實(shí)際，舉例說(shuō)明了影響摩擦力的各種因素，以期對(duì)相關(guān)方面的研究提供有意義的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：接觸面積；分子；摩擦因素；滑動(dòng)摩擦力

中圖分類號(hào)：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.108

文章編號(hào)：2095-6835（2015）15-0108-02

滑動(dòng)摩擦力的基本定義為：從宏觀的角度，相互接觸的物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體之間產(chǎn)生的阻礙這種運(yùn)動(dòng)的力；從微觀的角度，摩擦力實(shí)際上是互相接觸的物體接觸面上兩側(cè)分子之間的吸引力。

1 滑動(dòng)摩擦力的本質(zhì)

對(duì)于生活中普遍存在的力——摩擦力，人們從很早就對(duì)其進(jìn)行了研究，對(duì)于摩擦力的本質(zhì)，存有不同的學(xué)說(shuō)。

1.1 凹凸嚙合說(shuō)

15—18世紀(jì)，科學(xué)家提出的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論嚙合說(shuō)認(rèn)為，摩擦是因互相接觸物體的表面粗糙不平而產(chǎn)生的。兩個(gè)物體接觸擠壓時(shí)，接觸面上的凹凸部分會(huì)相互嚙合。如果一個(gè)物體沿接觸面滑動(dòng)，兩個(gè)接觸面的凸起部分會(huì)相碰撞，產(chǎn)生斷裂、磨損，進(jìn)而形成對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙。

1.2 黏附說(shuō)

黏附說(shuō)是繼凹凸嚙合說(shuō)之后的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論。最早由英國(guó)學(xué)者德薩左利厄斯于1734年提出，他認(rèn)為兩個(gè)表面拋得很光的金屬之間的摩擦力會(huì)增大，可用兩個(gè)物體表面充分接觸時(shí)分子引力增大解釋摩擦力。

自20世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)摩擦理論的研究進(jìn)一步深入。20世紀(jì)中期，誕生了新的摩擦黏附論。新的摩擦黏附論認(rèn)為，無(wú)論多么光滑的兩個(gè)接觸面，從原子的尺度看仍舊是粗糙的，用放大鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)其表面是凹凸不平的，好像布滿高峰和山谷，就算經(jīng)過(guò)車床加工的金屬表面，峰高也可達(dá)5 μm。雖然經(jīng)過(guò)仔細(xì)打磨，峰高可減小至0.1 μm，但對(duì)于原子尺度而言，其仍然是很大的。當(dāng)兩個(gè)物體的表面相互接觸時(shí)，實(shí)際上只有表面上凸起的區(qū)域是相互接觸的，這些區(qū)域的分子（原子）非常接近，分子（原子）間存在非常強(qiáng)的相互作用力。當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，勢(shì)必要剪切、破壞原先所有的接觸點(diǎn)，使凸起部分發(fā)生斷裂，進(jìn)而對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)造成阻礙，便產(chǎn)生了摩擦力。接觸點(diǎn)以外的區(qū)域中，分子（原子）間的間距較大，相互作用力很弱，與實(shí)際接觸區(qū)域相比可忽略不計(jì)。

2 滑動(dòng)摩擦力與接觸面積的關(guān)系

中學(xué)物理教材中給出的滑動(dòng)正壓力摩擦力公式為：

式（1）中：N為接觸面法向正壓力；μ為動(dòng)摩擦因數(shù)。

由式（1）可見，滑動(dòng)摩擦力大小與正壓力成正比，而與接觸面積的大小無(wú)關(guān)。實(shí)際上，“接觸面積”是表觀上的接觸面積，并非實(shí)際接觸面積。兩物體表面接觸時(shí)，實(shí)際的接觸面積遠(yuǎn)小于表觀上的，一般只有表觀上的10-5～10-1.如果實(shí)際接觸面積增加，發(fā)生分子間作用的分子數(shù)也在增加，則滑動(dòng)摩擦力也會(huì)相應(yīng)增加。壓力的增加會(huì)使實(shí)際接觸面積增加，導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦力增加。

而如果壓力不變，對(duì)于一定的物體而言，即使表現(xiàn)接觸面積發(fā)生變化，實(shí)際的接觸面積也不會(huì)改變。因此，宏觀上表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦力與接觸面積無(wú)關(guān)。

3 影響動(dòng)摩擦因數(shù)的因素

動(dòng)摩擦因數(shù)μ實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)化的物理量，其與物體表面的粗糙程度不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。對(duì)于粗糙的表面，接觸面的凹與凸部分交錯(cuò)契合會(huì)使μ增大；但對(duì)于光滑表面，由于實(shí)際接觸面積與接觸點(diǎn)間的黏結(jié)強(qiáng)度提高，μ也會(huì)增大，出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象。比如，在制作光學(xué)器件時(shí)，往往將兩塊光學(xué)鏡片的接觸面間打磨得非常光滑，使之直接接觸形成一個(gè)整體，在光學(xué)工藝上被稱作“光膠”，實(shí)際上不存在任何膠，只是利用了接觸面間的光潔度。

3.1 材料性質(zhì)對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

分子或原子結(jié)構(gòu)相近的材料互溶性較大，易發(fā)生黏著，導(dǎo)致動(dòng)摩擦因數(shù)增大；而分子或原子結(jié)構(gòu)差別大的材料互溶性小，不易發(fā)生黏著，則動(dòng)摩擦因數(shù)一般比較小。比如，鋼鐵與鋼鐵、木材與木材相接觸的動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)大于鋼鐵與木材。

3.2 溫度對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

對(duì)于大多數(shù)金屬材料之間的摩擦而言，動(dòng)摩擦因數(shù)隨溫度升高而降低，極少數(shù)（比如金與金）會(huì)隨溫度升高而升高；對(duì)于溫度不敏感的材料（石墨），動(dòng)摩擦因數(shù)幾乎與溫度無(wú)關(guān)。同時(shí)，對(duì)于物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度引起溫度的變化，也會(huì)使動(dòng)摩擦因數(shù)發(fā)生改變。

4 干摩擦力與濕摩擦力

固體與氣體、固體與液體之間的摩擦統(tǒng)稱為濕摩擦，固體與固體之間的摩擦稱為干摩擦。濕摩擦力是因接觸面間的薄黏性流體剪斷產(chǎn)生的，其摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于干摩擦，因此，濕摩擦力小于干摩擦力。

在固體接觸面間涂上一層潤(rùn)滑油，可將干摩擦變?yōu)闈衲Σ?，從而減小摩擦力。比如，穿上滑冰鞋在冰面上滑行時(shí)，冰刀會(huì)使冰瞬間化為水，即使干摩擦變?yōu)榘霛衲Σ痢Ｈ绻┍诘匕迳狭锘?，即使地面像冰面一樣光滑，但由于干摩擦無(wú)法變?yōu)闈衲Σ?，冰刀依然滑?dòng)不起來(lái)。

5 接觸時(shí)間對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

實(shí)驗(yàn)表明，在一定的限度內(nèi)，兩物體表面接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，滑動(dòng)摩擦力越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的機(jī)理有3個(gè)方面。

5.1 接觸時(shí)間對(duì)凹凸搭合的影響

在一定的限度內(nèi)，隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，物體相互接觸的兩表面上的凸起和凹陷部分相互搭合、相嵌的配對(duì)數(shù)目會(huì)增多，使表面間發(fā)生相互作用的分子數(shù)目增多，凹、凸彼此契合得更加緊密，如果要發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則需要的剪切力就越強(qiáng)。

5.2 接觸時(shí)間對(duì)表面形變的影響

在一定的限度內(nèi)，隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，相接觸的兩物體表面的彈性形變和塑性形變?cè)絼×摇?duì)于彈性形變，表面上凹陷的部分會(huì)更加下陷，導(dǎo)致發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，表面上的凸起部分需要爬升的高度增加，使滑動(dòng)摩擦力增大；對(duì)于塑性形變，接觸表面上的凸起部分在巨大的壓強(qiáng)下會(huì)破損、斷裂，使互壓的高峰彼此契合得更加緊密、牢固，進(jìn)而使實(shí)際接觸面積增大，有效相吸的分子數(shù)變多、分子吸引力變大。

5.3 接觸時(shí)間對(duì)分子對(duì)移的影響

在一定的限度內(nèi)，隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，在相接觸的物體表面上，由于接觸點(diǎn)間分子的強(qiáng)相互作用，發(fā)生相互相轉(zhuǎn)移的分子數(shù)增多，“冷焊”現(xiàn)象更加明顯。相對(duì)滑移的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為對(duì)移分子的熱振動(dòng)能越多，能量損耗得越大，進(jìn)而表現(xiàn)為摩擦阻力增大。

參考文獻(xiàn)

[1]溫詩(shī)鑄，黃平.摩擦力學(xué)原理[M].第三版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]北京大學(xué)物理系普通物理教研室.普通物理學(xué)（力學(xué)部分）[M].北京：人民教育出版社，1961.

〔編輯：張思楠〕