梅 華

（青島市城陽(yáng)區(qū)第一高級(jí)中學(xué)，山東 青島 266108）

1 摩擦力究竟是怎樣產(chǎn)生的

對(duì)固體接觸面之間的摩擦的實(shí)驗(yàn)研究，早在15世紀(jì)歐洲文藝復(fù)興時(shí)代就已開始，其代表人物是意大利的達(dá)·芬奇.在此后的一個(gè)世紀(jì)中，不少人從純機(jī)械論的角度去解釋摩擦，提出了“凹凸說”.這種學(xué)說認(rèn)為由于固體表面總是存在著凹凸不平，兩個(gè)表面上的凹凸部分主要是以互相嚙合的狀態(tài)相接觸，如圖1所示，當(dāng)兩表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，必須順著凸部反復(fù)抬起來(lái)，或者把凸部破壞掉，于是便產(chǎn)生摩擦.依照這種解釋，似乎表面越光滑，凹凸越稀疏，峰部越低，則摩擦就應(yīng)越小.18世紀(jì)末法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲆泊篌w贊同這種學(xué)說，他通過大量實(shí)驗(yàn)建立了摩擦定律（即F＝μFN）.

但是凹凸說從一開始便遇到了挑戰(zhàn).英國(guó)物理學(xué)家德薩古利埃置凹凸說的潮流于不顧，提出了分子說，這種學(xué)說認(rèn)為產(chǎn)生摩擦的真正原因在于摩擦面的分子力的作用.按照這種觀點(diǎn)，表面越光滑，表面更緊密接近，分子力的影響就越大，因而摩擦力也就越大.德薩古利埃預(yù)言：“只要把平面無(wú)止境地研磨得很光滑，摩擦遲早是會(huì)增大的”.可惜當(dāng)時(shí)的技術(shù)不能提供研磨得那樣光滑的平面，因而未得到證明.

經(jīng)過一百多年，到20世紀(jì)，隨著表面加工和潔凈技術(shù)的進(jìn)步，英國(guó)科學(xué)家哈迪用實(shí)驗(yàn)證明了德薩古利埃的預(yù)言，從而使摩擦的分子說獲得了生命力，并在此基礎(chǔ)上形成了關(guān)于摩擦機(jī)理的“現(xiàn)代粘合說”.

圖1

粘合說認(rèn)為二接觸面的凹凸部分主要是彼此在凸部上以互壓在一起的狀態(tài)相接觸，如圖2所示.二物體實(shí)際接觸部分只為外觀面積的幾百分之一到幾萬(wàn)分之一.因此即使表觀的壓力不大，在二者接觸的凸部卻可達(dá)到極高壓力.這樣的高壓會(huì)使凸部發(fā)生塑性形變.表面上存在的極薄的污染膜（臟物和氧化膜等）將被破壞、被剝離，從而發(fā)生二固體基質(zhì)本身的粘合.這種粘合是分子——原子力的表現(xiàn).在這種情況下，當(dāng)二面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，粘合面被剪切而斷裂，剪切力就是宏觀表現(xiàn)的摩擦力.

圖2

證明粘合說是摩擦的合理機(jī)制的實(shí)驗(yàn)，在20世紀(jì)才由哈迪等人做出.哈迪用經(jīng)過充分研磨和洗凈的玻璃表面做摩擦實(shí)驗(yàn)表明，充分研磨了的表面摩擦力大，而且，摩擦的痕跡也擴(kuò)大.這不僅否定了凹凸說，而且證明了摩擦的能量損失，不僅是由于分子力的不連續(xù)交疊，而且還由于分子力導(dǎo)致表面的破壞.

關(guān)于表面污染對(duì)摩擦的影響，也是證明粘合說的有力證據(jù).未經(jīng)嚴(yán)格處理的固體表面實(shí)際上覆蓋著多層污染膜，從里向外有氧化膜、吸附分子膜和普通臟污的膜，它們的厚度不過幾百埃（1埃＝10－10m），而固體表面的凹凸，即使以目前的技術(shù)加工來(lái)說，表面凹凸的高差也平均在10－8m上下，因此，這些污染膜對(duì)凹凸是沒有什么影響的，猶如綿延山脈上的樹林，不改變山脈的形狀一樣.根據(jù)凹凸說，表面污染膜不能影響摩擦；而基于分子的粘合說，污染膜將阻隔固體表面之間摩擦因數(shù)增大.于是現(xiàn)在人們對(duì)摩擦的機(jī)理，普遍地采納基于分子間作用力的“粘合說”.

盡管這樣，在現(xiàn)代關(guān)于摩擦的理論中，凹凸說并沒有被廢棄.它在粘合說中得到了新的意義.這就是因粘合而導(dǎo)致的摩擦現(xiàn)象的解釋中，表面的塑性變形有很大的作用，而這塑性變形，又直接依賴于凹凸的大小.

除現(xiàn)代粘合說外，在極光滑的表面摩擦機(jī)理中，還加進(jìn)了靜電作用，這就是光滑表面摩擦過程中可能帶上異號(hào)電荷，它們之間的靜電作用，也是產(chǎn)生摩擦力的一個(gè)原因.

綜上所述，摩擦現(xiàn)象的機(jī)理是復(fù)雜的，必須在分子尺度內(nèi)才能加以說明.由于分子力的電磁本性，摩擦力的產(chǎn)生也是由電磁相互作用引起的.

2 為什么對(duì)于兩個(gè)給定表面，滑動(dòng)摩擦實(shí)際上與接觸表面面積的大小無(wú)關(guān)

新的摩擦粘合論認(rèn)為，這是因?yàn)閷?shí)際接觸面積是屬于原子尺度的，它只占總的幾何接觸面積的一個(gè)極微小的部分，而摩擦力的出現(xiàn)是由于在原子接觸的這些微小區(qū)域內(nèi)原子之間的相互作用力.原子接觸面積占幾何接觸面積的比例，正比于法向力除以幾何接觸面積.因此，當(dāng)法向力增大一倍，原子接觸面積增加一倍，而法向力保持不變，則原子接觸面積占幾何接觸面積的比例減小一半，即原子接觸面積的實(shí)際面積不變，因而摩擦力也不變.

3 表面越光滑，摩擦力越小嗎

根據(jù)現(xiàn)代粘合論機(jī)理和實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)否定了“表面越光滑，摩擦力越小”這樣的說法.那么我們應(yīng)怎樣對(duì)待通常說的“光滑表面”呢？常用的“粗糙表面”和“光滑表面”是歷史的產(chǎn)物，意思是：“粗糙”就是指有摩擦、“光滑”指無(wú)摩擦或摩擦因數(shù)等于0的表面，是一種理想模型.因而應(yīng)該把常用的“光滑表面”作為“不計(jì)摩擦的表面”的同義語(yǔ)，是物理學(xué)上的一種約定，而不是指完全無(wú)凹凸的、像連續(xù)的幾何面一樣的固體表面.

4 摩擦因數(shù)μ一定小于1嗎

很多人習(xí)慣的看法：“摩擦因數(shù)μ一定小于1”.產(chǎn)生這種看法的原因很多，例如，在物理課本和一般教學(xué)參考書中所見到的摩擦因數(shù)都是小于1的；再如，通常人們?cè)诎徇\(yùn)重物時(shí)，拖著走要比背著走省力些.若重物做勻速運(yùn)動(dòng)，因拉力F＝μmg，而F＜mg，所以μ＜1.這些都是產(chǎn)生上述偏見的主要原因.

摩擦因數(shù)是接觸材料、界面粘染物或界面滑潤(rùn)劑的一個(gè)主要特性.摩擦的主要原因之一是接觸表面分子間的凝聚力.在正壓力相同的情況下，不同材料表面間的分子凝聚力的強(qiáng)弱是不同的，要想把相互壓緊接觸的兩物體分開往往需要很大的力，這時(shí)摩擦力會(huì)很大，甚至超過正壓力，因而會(huì)有μ大于1，那種認(rèn)為“摩擦因數(shù)一定小于1”的看法，是不合適的.

5 為什么最大靜摩擦力要大于滑動(dòng)摩擦力

從微觀角度來(lái)看最大靜摩擦狀態(tài)和滑動(dòng)摩擦狀態(tài)分子的互相作用時(shí)間相差很大，存在三個(gè)方面的不同：（1）長(zhǎng)時(shí)間在彈性力作用下接觸面分子發(fā)生蠕動(dòng)，這會(huì)使接觸層分子的接觸面積增大；（2）由于長(zhǎng)時(shí)間接觸，分子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使接觸面層互相擴(kuò)散，使分子間作用力變大.（3）物體表面覆有一層污染膜（這是常有的現(xiàn)象），在外力作用下而不發(fā)生宏觀移動(dòng)時(shí)，在接觸層分子會(huì)發(fā)生分子大小數(shù)量級(jí)的移動(dòng)，這種移動(dòng)使污染膜破裂，這個(gè)破裂作用增大了對(duì)外力的反作用力.以上三點(diǎn)都存在于宏觀相對(duì)靜止的兩物體之間，其結(jié)果是使最大靜摩擦力大于同等情況下滑動(dòng)摩擦力.

1 趙凱華 羅蔚茵.新概念物理教程—力學(xué).北京.高等教育出版社.1996.71－73.

2 課程教材研究所等.教師教學(xué)用書—物理（必修1）.北京.人民教育出版社.2010.111－113.