论摩擦力本质1.doc

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=μFN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：啮合说应该补充从分子（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，这时人很容易滑倒；假设这鞋很厚，这人又不舍得扔，就一直穿着，以马克思用脚把看书的地方跺出一个坑的毅力，这个人也把这一段路面磨平了，这时这个人是更容易滑倒了，还是又回到以前难以滑倒的日子呢？按照啮合说的观点，我们可以看到在图1中，两个接触面相对运动时，两接触面的这些凸起会互相磨损，有些还会断裂，摩擦力自然较大些；在图2中，只有下表面的凸起会磨损，所以摩擦力相对小些；图3中基本上没有凸起磨损，所以几乎是无摩擦。

用关系式表示三个图中的摩擦力大小应是：f1>f2>f3 这表示这个人将更容易滑倒而按照粘附说的观点，我们可以看到三幅图里面图1和图3的接触面在滑动是难以判定谁大谁小，但可以判定接触面最小的是图2，所以f1>f2，f3>f2 这说明这人买鞋穿了一段时间后就会经常滑倒，经过一段提心吊胆的日子后，终于又可“安稳”地过日子了在这里，我们似乎否定了啮合说，肯定了粘附说，但粘附说真的都对吗？仔细看图1，我们可以看到中间有两个几乎垂直于接触面的小接触面，水平运动的甲乙接触面在这一小部分里体现的只是互相挤压而不是水平运动，也就是体现了分子（原子）间的斥力而不是引力如果我们把这小部分在扩大，甚至想象成我们是分子（原子），这部分的接触面也就像两面又高又厚的墙了，如果没有足够大的力使墙断裂，分子（原子）也就无法越过去这样，越过去的分子（原子）就会有一个垂直于接触面的分位移，也就是需要一个向上的力来使分子（原子）做垂直于接触面的运动，引力显然不能做到这点显然粘附说在这里不成立而啮合说可以6 EUREKA总上所述，啮合说是以分子（原子）的斥力为依据的对摩擦力的宏观解释，它忽略了分子（原子）间的引力作用；粘附说是以分子（原子）间的引力为基础的对摩擦力的微观解释，但它忽略了分子（原子）间的斥力作用。

所以摩擦力真正的本质应该是跟分子（原子）间的引力和斥力作用的总和有关弄清了摩擦的本质后，我用这个本质来解释上面的表格和对应的三幅图图1是木—木材料的两接触面，由于其非常粗糙，在相对运动时有较多的缝隙，分子（原子）竖直位移较大，所以其主要表现出分子（原子）的斥力作用，也就是以啮合作用为主；图3是钢—钢材料的两接触面，由于其相对较光滑，在相对运动时间隙小，接触面大，多数原子间离得较近，且分子的垂直于接触面的运动不明显，所以其主要表现出原子的引力作用，也就是以粘附作用为主；图2是钢—木材料，由于其一面粗糙，另一面则相当光滑在相对运动时，空隙很大，但另一面的光滑使的接触面的分子（原子）竖直位移较小，所以啮合作用不明显；另一方面，可以看出，接触面积比图1和图3的都要小得多，所以其粘附作用也不明显这就说明图2在同等条件下的摩擦力f2是最小的所以，尽可能增大两接触面的粗糙程度和尽可能的是两接触面光滑都能增大摩擦力，而我们减小摩擦力的理想方法是使一接触面尽可能光滑而使另一接触面尽可能粗糙７　结论至此，我们可以发现，无论是啮合说还是粘附说，都可以用分子（原子）相互间的引力和斥力的总和来加以解释，再加上静电作用就可以解释摩擦力的本质。

也就是说，摩擦力的本质是接触面上分子（原子）间的引力和斥力作用的与静电作用的总和８　题外话这里需要说明的是，虽然分子（原子）相互作用力，静电作用的本质都是是电磁相互作用力，但因电磁力包含的范围广泛，具有帮助认识而不太具有实用意义，所以讨论是应以分子（原子）力，静电力来加以说明参考文献：[1] 余鱼．越光滑摩擦力越大．大科技科学之谜．大科技杂志社，2006.[2] 人民教育出版社物理室．全日制普通高级中学教科书（必修）物理第一册．人民教育出版社，2003.[3] 百度百科6。