论摩擦力本质1(清晰整齐)

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。产生摩擦的真正原因在于接触面间的分子（原子）力作用，表面越光滑，接触越紧密，分子（原子）力的影响就越大，因而摩擦力也就越大。两个互相接触的表面会粘附得非常牢固时，摩擦力很大，会超过正压力，摩擦系数可以等于、大于1，甚至大到使两个物体结合为一个整体。

此外，当今世界上的研究还发现静电作用对摩擦系数也有影响，光滑表面摩擦过程中可能带上异号电荷,它们之间的静电作用,也是摩擦力的一个组成。

2 分类

摩擦力按表现形式又分为滑动摩擦力、滚动摩擦力、静摩擦力；按接触面情况还可分为干摩擦力和湿摩擦力。我们接下来的讨论是关于两物体发生相对运动时且接触面干燥的滑动摩擦力

3 影响滑动摩擦力大小的物理量

在学校物理课中我们学到，F=μF N即滑动摩擦力大小与正压力、摩擦系数有关。两个互相接触挤压的物体相对运动时，在正压力一定的情况下，摩擦系数越大，摩擦力就越大。而摩擦系数的主要影响因素是相互接触的两个物体的材料，材料不同，两物体之间的摩擦系数也不同。课本中有这样的数据：

材料动摩擦因数（摩擦系数）

钢—钢0.25

木—木0.30

木—金属0.20

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