摩擦学中的美学

摩擦学中的美学一、美和摩擦学什么是美？柏拉图在文章《大希庇阿斯篇》中对什么是美的本质进行了讨论。

文中老师苏格拉底对古希腊赫赫有名的诡辩家希庇阿斯提问：“你能替美下个定义吗？请告诉我什么是美。

”希庇阿斯说：“一个年轻小姐是美的。

”苏格拉底不满意，他说，“我要问的是：‘什么是美？’而不是问：‘谁是美的，什么东西是美的？’”在这篇对话里，希庇阿斯和苏格拉底尝试了好几种关于美的定义，例如美的就是适当的、美的就是有用的、美的就是令人愉悦的，但苏格拉底又一一予以驳难，最后得出的结论只是：美是很难解的。

什么是美？什么是美的本质？这是一个自古流传但直至今天仍无法得到完满解释的问题。

韦伯斯特（Webster）大辞典中对美是这样定义的“一个人或一种事物具有的品质或品质的综合，它愉悦感官或使思想或精神得到愉快的满足。

”这是一个不到25个字的简洁得到定义。

当然，美的概念实际上比这个定义复杂得多。

你会问在文学、绘画、音乐和科学中，美的含义是什么？当你这样提问时，你会意识到，这个问题相当复杂，也许很难给出一个周全的定义。

科学中存在美，所有的科学家都有这种感受。

毫无疑问，很早科学家们就懂得科学中蕴含奇妙的美。

1542年出版的哥白尼的伟大著作《天体运行论》中的第一句话是“在哺育人的天赋才智的多种多样的科学和艺术中，我认为首先应该用全副精力来研究那些与最美的事物有关的东西”。

哥白尼选择这样一句话来开始他的著作，清楚地表明了他是多么欣赏科学中蕴含的美。

实际上，通观全书，人们会发现还有一些类似的段落也表现了他那难以置信的精神上的愉快。

今天，不同科学学科的美即密切相关，又不完全相同。

如同经常被人提及的物理学之美一般，摩擦学也具有类似的“摩擦学之美”。

摩擦学（tribology）是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。

它是研究在摩擦与磨损过程中两个相对运动表面之间相互作用、变化及其有关的理论与实践的一门学科。

由于摩擦引起能量的转换，磨损则导致表面损坏和材料损耗，而润滑是降低摩擦和减少磨损的最有效的措施。

摩擦、磨损与润滑三者之间的关系十分密切。

摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。

据统计，全世界大约有1/2~1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上。

而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有80%的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。

因此，控制摩擦减少磨损、改善润滑性能已成为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。

同时，摩擦学对于提高产品质量、延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也有重要作用。

由于摩擦学对于工农业生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视，成为近三十年来迅速发展的技术学科，并且得到了日益广泛的应用。

摩擦学作为一门实践性很强的技术基础学科，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术进步密切相关，因而摩擦学的研究模式和研究范畴也在不断发展。

早起的摩擦学研究以18实际G.Amontons 和C.A.Coulomb 对固体摩擦的研究为代表，他们根据大量的试验归纳出滑动摩擦的经典公式。

这一时期的研究是以试验为基础的经验研究模式。

19世纪末O.Reynolds根据黏性流体力学揭示出润滑膜的承载机理，并建立表征润滑膜力学特性的基本方程，奠定了流体润滑的基础理论，从而开创了基于连续介质力学的研究模式。

在20世纪20年代以后，由于生产发展的需要，摩擦学的研究领域得以进一步扩大。

期间W.B.Hardy 提出依靠润滑油中的极性分子与金属表面的物理化学作用而形成吸附膜的边界润滑理论，推动了润滑剂和添加剂化学研究；G.A.Tomlinson 从分子运动角度解释固体滑动过程的能量转换和摩擦起因；特别是F.P.Bowdon和D.Tabor建立了以黏着效应和犁沟效应为基础的摩擦磨损理论等。

这些研究不仅扩展了摩擦学的范畴，而且促使它发展成为一门涉及力学、材料科学、热物理和物理化学等的边缘学科，从而开创了多学科综合研究的模式。

1965年英国教育科学研究部发表《关于摩擦学教育和研究报告》首次提出tribology （摩擦学）一词，扼要地定义为“关于摩擦过程的科学”。

此后，摩擦学作为一门独立的学科受到世界各国工业界和教育研究部门的普遍重视。

随着理论与应用研究的深入开展，摩擦学研究在研究模式和研究领域上都发生了很大的变化。

现代科学技术特别是信息科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着巨大的推动作用。

摩擦学的发展进入了一个新的阶段。

二、摩擦学之美1．摩擦现象之美客观事物和物理现象是千姿百态、千变万化的，摩擦现象也是如此。

摩擦在现实世界中几乎无处不在，而其表现形式的多样性和特殊性，使得现实世界中的摩擦现象必然是丰富多彩的。

但是这样丰富多彩的客观现象之间又存在着内在联系，通过这样的联系构成统一的整体，形成了既千变万化又和谐统一的美丽画卷。

在摩擦学的发展过程中，大量摩擦研究工作者不断努力，执着地追求着摩擦现象之美背后的科学真谛。

摩擦是自然之中普遍存在的现象，自然和生活之中也无时无刻不在体现着摩擦现象之美。

我们可以看到很多动物，如老鼠，兔子等，为了避免牙齿的过快生长，会聪明地利用摩擦来磨削自己的牙齿；而又有很多动物，尤其是生活在水中的生物，比如泥鳅和鳝鱼等为了减少在水中游动的阻力，也为了减少摩擦力逃避捕捉而保全自身，身上会分泌一层粘液来实现光滑的目的。

人类也是利用摩擦力的高手，体操运动员为了保护自己，在进行单双杠运动之前总要在手上擦些白色粉末，这正是利用这些白色的碳酸镁粉末来增大手与杠之间的摩擦系数，以保证做动作的时候不会打滑；而在进行鞍马运动的时候运动员却也要在腿部抹上一些白色粉末，这却是使用的滑石粉，目的是减少运动员腿部与鞍马之间的摩擦力，使动作可以更加舒展且轻巧灵活。

2.摩擦理论之美摩擦学发展至今，随着研究的逐渐深入和研究范围的逐渐扩大，已经形成了润滑理论、摩擦磨损机理、应用摩擦学等等多样的研究领域和理论。

在对摩擦学进行系统学习的过程中，这些种类既各自独立又互相联系，就其细微而言，在理论描述上有着公式表述之美，就其大局而言，又有着相互联系统一的辩证之美。

（1）简单之美清楚明白、简洁统一、结构有序、互为因果以及预见等都是科学美的内容。

摩擦学中的概念、定律、方法等，无一不具有简洁明了的科学美。

达芬奇（Leonado da Vinci）（1452-1519）是第一个提出摩擦基本概念的。

之后，法国科学家Amontons进行实验并且建立了摩擦定律。

随后库伦在进一步实验的基础上，发展了Amontons的工作，得出的四个经典摩擦定律如下。

定律一，摩擦力与载荷成正比，F=fw。

定律二，摩擦系数与表观接触面积无关。

定律三，静摩擦系数大于动摩擦系数。

定律四，摩擦系数与滑动速度无关。

虽然根据最近的研究发现大多数经典摩擦定律并不完全正确，但是经典摩擦定律在一定程度上反映了滑动摩擦的机理，因此在解决许多工程实际问题中仍然广泛使用。

经典摩擦定律的四个定律都是简短易懂，公式表述也极为简单，但是确实在一定程度上反映了摩擦的现象和机理。

这样的摩擦学定律和公式无疑体现着摩擦学的简单之美。

（2）逻辑之美摩擦学所用的语言除了基本表述之外，绝大多数理论的思维中运用了数学语言，具有逻辑性。

数学具有简练、严密、精确、理想化等特点，这就使得摩擦学有可能从实验摩擦学转向理论摩擦学。

在摩擦学理论中，摩擦规律用数学语言描述，如此则更具有形式上的规范性、协变性，从内容上本质更突出、更明了了，这种表述给人以简洁的美，协调的美。

它是在数学基础上反映了摩擦世界内部的和谐、统一和简单。

利用数和形来描述自然还是许多伟大科学家的出发点，不好断言是否太过简单，但也不是没有道理的。

此外，摩擦学的逻辑之美还体现在研究方法和理论体系的方方面面。

在对磨损机理的研究中，摩擦学理论将磨损现象区分为擦伤、点蚀、剥落和胶合等形式，并使用不同的原理对其进行解释。

如擦伤是由于犁沟作用在摩擦表面产生沿摩擦方向的沟痕和磨粒，点蚀则是在接触应力反复作用下，使金属疲劳破坏而形成的表面凹坑。

如此对磨损机理进行分类研究和解释，不仅深入的解释了磨损的机理，而且在逻辑上十分严谨和清晰，正体现了摩擦学的逻辑之美。

（3）微观之美微观摩擦学是随着研究手段的进步而发展起来的研究方式。

微观摩擦学又称纳米摩擦学、分子摩擦学，它是在原子，分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。

微观摩擦学在学科基础、研究方法、实验测试设备和理论分析手段等方面都与宏观摩擦学研究有很大区别。

微观摩擦学实验研究设备主要是扫描探针显微镜，从原子、分子结构出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦行为，其理论基础是表面物理和表面化学，采用的理论分析手段主要是计算机分子动力学模拟。

通过对摩擦学在微观层面的研究，可以解释一下宏观层面难以解释的现象，并且能对微观层面的问题进行新的认识和理解。

这样从宏观到微观的摩擦学发展，既是摩擦学研究的与时俱进，也体现着摩擦学发展过程中的微观之美。

3.摩擦应用之美国际摩擦学学会主席乔斯特六十年代发表工业摩擦学调查报告以来，国外摩擦学研究和应用都取得了巨大的经济效益，已广泛引起世界各国的注意。

有资料表明，80%的机械故障是由摩擦、磨损引起。

据估计，全世间约有1/3～1/2的能源消耗在各种形式的摩擦上。

英、美、德、日等国估计由于摩擦、磨损而造成的损失每年达上千亿美元。

而有效利用摩擦学知识可能带来的经济效益占国民生产总值2%以上。

因此控制摩擦、减少磨损，改善设备润滑已成为节约原料、改善运行状态、改进设计、提高质量、减少污染、提高和延长设备使用寿命、节约能源、降低成本的重要技术举措。

国外有人已将润滑称之谓“润滑经济”。

摩擦学也是近三十年来发展最快的科学学科之一。

我国很早就有人对摩擦学应用予以重视，早在20世纪60年代初，我国就已开始摩擦学的研究与应用。

1982年3月在北京召开全国摩擦学调研会议，1983年9月在大庆召开了“摩擦学工业调查现场会议”，起草通过了“全国摩擦学工业调查提纲”，并明确调查工作方式和重点，调查负责单位，调查工作由点到面，全面铺开。

根据1985年底发布的一份调查资料显示，对铁道运输业，从改进轴承、改善润滑、合理选用摩擦材料，每年可节约4亿多元。

根据对冶金、石油、煤碳、铁道运输机械五大行业调查，经初步测算，应用已有摩擦学知识，每年可节约几亿元。

这其中尚不包扩括修理停工损失，延长使用寿命带来的效益，因而还是保守的。

国际摩擦学会主席乔斯特，1979年和1980年二次来华考察，认为中国如能通过运用摩擦知识和技术实践来防止能源、资源的浪费，每年节约400亿人民币是完全可能的。

然而，改革开放以来，我国经济建设发展很快。

由于对摩擦学认识和理解以及普及不够等多方面原因，我们和国外的差距，非但没缩小，而是拉大了。

据《中国经济年鉴》近年来公布的数字，我国单位产值能耗长期以来一直居世界前列，约西方主要工业国家的5倍。