论摩擦力本质1
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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