论摩擦力本质1

论滑动摩擦力本质

物理学专业梁维扬

［摘要］解释摩擦力的本质有主要有两种学说——凹凸说和粘附说，但是这两种学说都不能令人满意地解释日常现象。本文用理想实验法，从分子（原子）层面解释并统一了凹凸说和粘附说。

［关键词］摩擦力；摩擦因数；啮合说；粘附说；分子（原子）力

摩擦力是我们生活中最常接触到的一种力，走路需要摩擦力，拿东西需要摩擦力，开车需要摩擦力，可以说，人类的衣食住行都离不开摩擦力。那我们知道摩擦力到底是怎么产生的吗？

1 两种学说

关于摩擦力的本质，目前有比较令人信服的有两种学说,啮合说和粘附说。

⑴凹凸啮合说，是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦力本质的理论。啮合说认为摩擦是由相互接触的物体表面粗糙不平产生的。两个物体接触挤压时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合。如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相互碰撞，产生断裂、磨损，就形成了对运动的阻碍。

⑵粘附说，这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦力本质的理论。最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出。他认为两个表面抛得很光的金属，摩擦力会增大，可以用两个物体的表面充分接触时，它们的分子（原子）引力将增大来解释。

新的摩擦粘附论认为，两个相互接触的表面，无论做得多么光滑，从原子尺度看，还是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个表面放在一起，微凸起的顶部发生接触，微凸起之外的部分接触面间有10-8m或更大的间隙。这样，接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力。如果这个压力很小，微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过某一数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的弹性限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，被压成平顶，这时互相接触的两个物体之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的范围，于是，两个紧压着的接触面上产生了原子性黏合。这时，要使两个彼此接触的表面发生相对滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力，来克服分子（原子）间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦。产生摩擦的真

表 1

摩擦系数还跟接触面的情况(如粗糙程度)有关，在相同的压力下，一般来说接触面越粗糙，摩擦系数越大。所以日常生活中，我们看到人们总是试图使接触面变光滑来减小摩擦力，或者使接触面变粗糙来增大摩擦力。比如用来溜旱冰的地板越光滑越好，水杯的手柄做得越粗糙越好等。似乎越光滑摩擦力越小，但事实上并非如此。我们来看下面这个“光胶”的例子：

用来做显微镜或望远镜的光学镜片一般都要求特别光滑，科学家有时候需要把两个不同倍数的镜片结合到一起，“这么光滑的镜片如何能够结合到一起呢？”科学家们想

当然地以为这很困难，因为这种镜片太光滑了，即使强力胶也很难粘结，而且任何中间粘结物都会会给镜片带来瑕渍，影响镜片的质量。

可是，当科学家试着把两片表面特别光滑、接触面形状相合的光学镜片相互接触后，奇迹出现了，就像中间接触面涂上了强力胶一样，这两个镜片紧紧地贴在了一起，难以把它们分开，两个镜片几乎浑然成了一个镜片，可是科学家并没有在接触面上涂任何东西！科学家在不经意间解决了难题。后来，这个通过光滑表面粘结镜片的技术成为制作光学仪器的一项工艺，称为“光胶”，光胶其实并没有用到任何实际的胶。

为什么会出现上述现象呢?科学家目前的观点是：

两个物体相对运动时接触面越光滑，摩擦力越小的规则只适用于一定的范围，当物体表面光滑程度超过一定限度时，越光滑，则摩擦力反而会越大，因为过分光滑的两个表面的分子（原子）会紧紧相邻，相互之间的距离很小，两个表面的分子（原子）之间就会由于电磁作用而相互吸引，越是光滑，分子（原子）间的距离越小，这种电磁吸引力就越大。这时若再想分开这两个物体，或使它们相互移动，都会很困难，因为两个物体接触面的许多分子（原子）相互吸引的合力比强力胶的粘结力还要大。

这说明越光滑摩擦力也可能越大。

4 真理在哪里

摩擦力的本质会是啮合说中的凸起部分互相阻碍吗？显然“光胶”现象否定了它。但又是粘附说里所提到的克服分子（原子）间的引力而产生的吗？也不尽然，因为两表面接触且互相挤压的物体相对运动后，表面总会有磨损，即两表面趋于平坦，趋于光滑，分子（原子）力的总和应该增大的，即摩擦力增大，但谁都知道，刀越磨越锋利，鞋子穿久了鞋底因磨损而容易打滑。

这究竟是怎么回事呢？我认为这两种学说并不矛盾，啮合说是从宏观上以人们的生活经验来解释的，谁都知道凸起的石头可以绊倒人；粘附说则是从微观上分析我们肉眼看不到的分子（原子）的相互作用，上过初中的人也会知道分子（原子）力也是一种很强的电磁相互作用力。两种学说从不同角度来解释摩擦力，都有一定的道理。后来人们通过不断试验和分析计算，发现上述两种理论提出的机理都能产生摩擦。那么结合两个

学说就能解释摩擦力的本质了吗？我觉得还需要很多的补充：啮合说应该

．．从．分子

．．

．．．．．补充

（原子）

．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．力来

．．解释，粘附说应该补充宏观的因素。

5 追寻真理

从上面的陈述，我们知道增大摩擦力的方法，既可以让两接触面尽可能的粗糙，也可以让两接触面尽可能的光滑。这说明在两个“尽可能”之间，必存在一个摩擦力最小的中间状态。曾有一名著名的学者哈迪，他进行了大量的实验。他首先把两个物体表面研磨得极光滑，然后来做摩擦实验，结果发现，两物体磨得越光滑，它们之间的摩擦力就越少，但是这种光滑水平达到一定程度时，摩擦力反而有所增加，甚至两个光滑的金属面能“粘”在一起。

我用理想实验法，从两接触面的接触情况进行极限分析。设两接触面相对运动时无电荷得失，也就是没有静电作用，结合表1，且设粗糙的接触面为木质材料，平整光滑的为钢材，则可以画出三种接触情况如图：

图 1 木—木，f1

图 2 钢—木，f2

图 3 钢—钢，f3

对于上图我们可以打这样一个比方，上表面是鞋底，下表面是地板。刚买鞋的时候地板和鞋都是很粗糙的，这时人不容易摔跤;穿了一段时间后，鞋底先被磨平了，这时人