摩擦力:物理學名詞-中文百科頻道

起源介紹

摩擦力起源于兩接觸面間的附着吸引力由于原子或分子間的電磁吸引力使得物體有巨觀的結構，也是相同的作用力導緻于摩擦的存在。原子或分子間必須在很短（幾個原子半徑間距離）時，其間才有較明顯相互吸引的作用力。

兩接口必須很接近才會有顯着摩擦存在。一般的表面可能看似光滑，可是若以放大鏡仔細觀察将發現表面凹凸不平。坑坑洞洞的大小甚至有數百個原子半徑。當兩接口巨觀接觸時，際上兩接口間隻有凸出的部份相接觸。

當正向力增加時會使得表面稍微變形（更為扁平）而增加接口間‘實際的接觸面積。實際的接觸面積’往往隻占巨觀接觸面積很小的比例。大部份仍然相距10-50個原子半徑的距離。

當書本平放在桌面時，巨觀接觸面積大使得接口間壓力較小，而使得實際接觸面積比例較小。當書本直立時，巨觀接觸面積變小使得接口間壓力增大而增加實際接觸面積比例。但較小的面積乘以較大的接觸比例較大的面積以較小的接觸比例約略相同。（也就是說微觀實際接觸面積約略相同）使得摩擦力與巨觀接觸面積無關。正向力大小決定‘實際接觸面積，而原子間的吸引力與實際接觸面積成正比。因此摩擦力正比于接口間的正向力。實際接觸面積也與接口接觸表面的性質相關（原子種類與光滑程度等）也就是與摩擦系數相關的因素。

兩接觸面間相對靜止時比相對運動時實際接觸面積大。因此靜摩擦大于滑動摩擦。滑動的過程會将部份原子由其中一接口留置于另一接口上，如摩擦後留下的痕迹也使得表面更平滑。滾動時就比滑動時容易，因此滾動摩擦又小于滑動摩擦。

發展曆史

滑動摩擦的經典規則被發現，達·芬奇（1452-1519），在他的筆記本，但仍然未公布。他們重新發現紀堯姆Amontons的（1699）。Amontons摩擦性質的表面的不規則性和所需的力，以提高表面的重量壓。這一觀點作了進一步的闡述由Belidor（表示粗糙面與球面的凹凸，1737）和歐拉（1750），推導出斜面上重量的靜止角，并首次區分靜态和動态摩擦。不同的解釋提供Desaguliers（1725），展示了強大的凝聚力部隊鉛球小盤被切斷，這之間相互接觸，然後帶入。了解摩擦所查爾斯奧古斯丁庫侖（1785）的進一步發展。庫侖調查對摩擦的影響，四個主要因素：接觸，其表面塗層中的材料的性質的表面區域的範圍内;正常壓力（或負載）的表面保持接觸的時間長度（休止時間）。庫侖進一步考慮滑動速度，溫度和濕度的影響，以決定之間的摩擦力的本質上的不同的解釋，已提出。區分靜态和動态摩擦庫侖摩擦法，雖然這種區别是已經繪制由約翰·安德烈亞斯·馮·Segner在1758年休止時間的影響，解釋米森布魯克（1762）通過考慮纖維材料的表面上，與纖維齧合在一起，這需要一個有限的時間，其中的摩擦增加。

約翰·萊斯利（1766年至1832年）指出，疲軟的意見的Amontons和庫侖。如果摩擦源于正在制定，為什麼不降對面的斜坡上平衡，然後通過連續粗糙斜面的重量嗎？張國榮粘連的作用提出由Desaguliers，總體上應該具有相同的傾向加快延緩動議同樣持懷疑态度。他認為摩擦應該被看作是一個随時間變化的平坦化的過程中，按下向下的凹凸，這就造成了新的障礙是什麼腔前。亞瑟Morrin（1833）開發的滑動與滾動摩擦的概念。奧斯本雷諾茲（1866年）推導出粘性流動方程。這樣就完成了經典的實證模型（靜态，動力學和流體摩擦）今天常用的工程。研究的重點一直是在上個世紀，了解摩擦背後的物理機制。F.菲利普鮑登和戴維泰伯（1950）表明，在微觀水平上，表面之間的接觸是一個非常小的部分的表觀面積的實際面積。這實際的接觸面積，所造成的“凹凸“（粗糙度）增加壓力，解釋之間的比例關系法向力和摩擦力。原子力顯微鏡（1986）的發展，已使科學家們研究在原子尺度的摩擦。

分類

固體表面之間的摩擦力的來因有兩個：固體表面原子、分子之間相互的吸引力（化學鍵重組的能量需求，膠力）和它們之間的表面粗糙所造成的互相之間卡住的阻力。

滑動摩擦

兩個相互接觸的物體發生相對滑動時，在接觸面上會産生一種阻礙相對運動的力，這種力叫做滑動摩擦力。滑動摩擦力一般用字母f來表示。n相互接觸的物體的兩個表面，即便看起來很光滑，但是放到顯微鏡下觀察，會發現凹凸不平。當相互接觸的物體發生相對運動時，就會彼此阻礙，産生滑動摩擦力。

研究滑動摩擦力的大小跟哪些因素有關系的實驗：實驗時為什麼要用彈簧秤拉木塊做勻速直線運動?這是因為彈簧秤測出的是拉力大小而不是摩擦力大小。當木塊做勻速直線運動時,木塊水平方向受到的拉力和木闆對木塊的摩擦力就是一對平衡力。根據二力平衡的條件，拉力大小應和摩擦力大小相等。所以測出了拉力大小也就是測出了摩擦力大小。大量實驗表明,滑動摩擦力的大小隻跟接觸面所受的壓力大小、接觸面的粗糙程度相關。壓力越大，滑動摩擦力越大；接觸面越粗糙,滑動摩擦力越大。

滑動摩擦力是阻礙相互接觸物體間相對運動的力，不一定是阻礙物體運動的力。即摩擦力不一定是阻力,它也可能是使物體運動的動力,要清楚阻礙“相對運動”是以相互接觸的物體作為參照物的。“物體運動”可能是以其它物體作參照物的。如:生活中，傳送帶把貨物從低處送到高處，就是靠傳送帶對貨物斜向上的摩擦力實現的。

滑動摩擦力大小與物體運動的快慢無關，與物體間接觸面積大小無關。

研究實際問題時,為了簡化往往采用“理想化”的做法，如某物體放在另一物體的光滑的表面上,這“光滑”就意味着兩個物體如果發生相對運動時，它們之間沒有摩擦。

滑動摩擦力的方向總是沿接觸面，并且與物體相對運動方向相反。

公式：F=μ×FN FN：正壓力（不一定等于施力物體的重力）μ：動摩擦因數(是數值，無單位）

滾動摩擦

滾動摩擦（rolling friction）一物體在另一物體表面作無滑動的滾動或有滾動的趨勢時，由于兩物體在接觸部分受壓發生形變而産生的對滾動的阻礙作用，叫“滾動摩擦”。

滾動摩擦力，是物體滾動時，接觸面一直在變化着，物體所受的摩擦力。它實質上是靜摩擦力。接觸面軟，形狀變化愈大，則滾動摩擦力就愈大。一般情況下，物體之間的滾動摩擦力遠小于滑動摩擦力。在交通運輸以及機械制造工業上廣泛應用滾動軸承，就是為了減少摩擦力。例如，火車的主動輪的摩擦力是推動火車前進的動力。而被動輪所受之靜摩擦則是阻礙火車前進的滾動摩擦力。

靜摩擦

若兩相互接觸且相互擠壓，而又相對靜止的物體，在外力作用下如隻具有相對滑動趨勢，而又未發生相對滑動，則它們接觸面之間出現的阻礙發生相對滑動的力，謂之“靜摩擦力”。一個物體相對它随外力的變化而變化，當靜摩擦力增大到最大靜摩擦時，物體就會運動起來。

大小：靜摩擦力根據外力而變化，但有一個最大值，叫做最大靜摩擦力。最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力。

方向：跟接觸面相切，跟相對運動趨勢方向相反。

内部摩擦

内部摩擦是物質内部的原子或分子相互運動所造成的能量損失。由于外部力作用所造成的不同部位的粒子的加速度的不同可以造成（比如液體）内部的相對運動。内部摩擦的大小與物質的粘性有關。不像固體表面的摩擦那樣含糊，内部摩擦可以通過統計力學的方式相當精确地計算出來。在力學中一般人們在計算時盡量省略摩擦所造成的損失，在流體力學中内部摩擦是理論中的一個内在部分，它可以由奈維爾-史托克斯方程式來計算。

流變學是研究複雜的流體（比如懸浮液或高分子化合物）的學科。在這些液體中的内部摩擦非常複雜，線性的奈維爾-史托克斯方程式不能用來描寫它了。

凹凸齧合說

是從15世紀至18世紀，科學家們提出的一種關于摩擦力本質的理論。齧合說認為摩擦是由相互接觸的物體表面粗糙不平産生的。兩個物體接觸擠壓時，接觸面上很多凹凸部分就相互齧合。如果一個物體沿接觸面滑動，兩個接觸面的凸起部分相互碰撞，産生斷裂、磨損，就形成了對運動的阻礙。

粘附說

這是繼凹凸齧合說之後的一種關于摩擦力本質的理論。最早由英國學者德薩左利厄斯于1734年提出。他認為兩個表面抛得很光的金屬，摩擦力會增大，可以用兩個物體的表面充分接觸時，它們的分子引力将增大來解釋。

上世紀以來，随着工業和技術的發展，對摩擦理論的研究進一步深入，到上世紀中期，誕生了新的摩擦粘附論。

新的摩擦粘附論認為，兩個相互接觸的表面，無論做得多麼光滑，從原子尺度看，還是粗糙的，有許多微小的凸起，把這樣的兩個表面放在一起，微凸起的頂部發生接觸，微凸起之外的部分接觸面間有10^-8m或更大的間隙。這樣，接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個壓力很小，微凸起的頂部發生彈性形變;如果法向壓力較大，超過某一數值(每個凸起上約千分之幾牛頓)，超過材料的彈性限度，微凸起的頂部便發生塑性形變，被壓成平頂，這時互相接觸的兩個物體之間距離變小到分子(原子)引力發生作用的範圍，于是，兩個緊壓着的接觸面上産生了原子性黏合。這時，要使兩個彼此接觸的表面發生相對滑動，必須對其中的一個表面施加一個切向力，來克服分子(原子)間的引力，剪斷實際接觸區生成的接點，這就産生了摩擦。

人們通過不斷試驗和分析計算，發現上述兩種理論提出的機理都能産生摩擦，其中粘附理論提的機理比齧合理論更普遍。但在不同的材料上，兩種機理的表現有所偏向:金屬材料，産生的摩擦以粘附作用為主;而對木材，産生的摩擦以齧合作用為主;實際上，關于摩擦力的本質，目前尚未有定論，仍在深入讨論中。