淺談摩擦力的產生機制及常見疑問解釋

樊衛豐

當相互接觸的兩個物體，存在相對運動或相對運動的趨勢時，它們之間就會產生阻礙相對運動或相對運動趨勢的力，這種力就是摩擦力.摩擦力時刻存在于我們周圍，也時刻影響著我們的生活，故15世紀人們就開始研究摩擦力，也形成了三種不同的關于摩擦力產生的理論：機械嚙合理論、黏著理論、分子作用理論.

1.機械嚙合理論：當兩物體相互接觸擠壓時，由于接觸面間并不完全光滑，形成“犬牙交錯”的部分，如圖1所示，于是當有相對運動或相對運動趨勢時，相互接觸的部分就會斷裂、磨損從而形成一種阻礙，這種阻礙就是摩擦力.

2.黏著理論：物體間相互接觸擠壓時，由于實際接觸面積比表觀面積小得多，故接觸面材料的分子間壓強很大，使接觸材料發生非彈性形變，從而接觸的分子間會形成化學鍵，產生黏著力，此黏著力會阻礙物體間的相對運動，宏觀上就表現為摩擦力.

3.分子作用理論：19世紀30年代末分子作用理論有了很大的進步，我們知道物體是由大量的分子組成的，分子之間會存在相互作用的吸引力與排斥力，當分子間距離r等于平衡距離ro時，分子力即分子間吸引力與排斥力的合力等于零，當r>ro時分子力表現為吸引力，當r

需要說明的是：以上三種理論是隨著人們對自然世界的研究不斷深入而先后提出來的，反映了人們認識世界的不斷深化過程，它們從不同側面解釋了摩擦力的產生原因，它們三者之間并不矛盾，而是相互補充的關系.

我們用以上理論解釋常見的疑問.

疑問1.為什么滑動摩擦力與“正壓力”成正比，與“接觸面積”無關？

答：由于材料實際接觸面積遠小于表觀接觸面積，研究表明實際接觸面積約為表觀接觸面積的萬分之一，當正壓力增大時，材料間的實際接觸面積會大大增加，會有更多的“犬牙交錯”部分、會形成更多的化學鍵、產生相互作用力的分子會更多，故摩擦力會隨著壓力的增加而增加.從摩擦力的產生原因看摩擦力的大小與實際接觸面積有關，與表觀面積無關，而我們常說的“接觸面積”是指表觀面積.

疑問2.為什么最大靜摩擦力會略大于滑動摩擦力？

答：此問題我們從“機械嚙合理論”和“黏著理論”來解釋.

（1）“機械嚙合理論”的解釋——把接觸的表面想象成有很多“犬牙交錯”部分，兩面間的“犬牙交錯”部分是摩擦力來源之一.當兩者相對靜止時，相互咬合很緊密，此時靜摩擦力就較大；當兩者相對滑動時，“犬牙交錯”部分會被磨平，咬合部分會變淺，此時滑動摩擦力會變小，所以滑動摩擦力會比靜摩擦力大.

（2）“黏著理論”——相對靜止的接觸面間的分子有較長的時間相互靠近，因此相互間有較強分子力的分子數目也會較多，所以靜摩擦力也會較大.而相對運動的分子間由于分子接觸的時間較短，所以有較強分子力的分子數目會少一點，所以靜摩擦力會略大于滑動摩擦力.

疑問3.為什么表面很光滑的材料之間的摩擦力不會減小反而增大

答：根據“黏著理論”當兩個表面的分子互相進入彼此的分子力作用范圍時，就會形成化學鍵，分子之間就會有較強的電磁相互作用，宏觀上就顯示為摩擦力.而超精加T的物體表面接觸時就會比常規表面接觸時有更多的分子進入彼此的分子力的作用范圍，就會形成更多的化學鍵，產生更強的相互作用，宏觀上表現的摩擦力也就更大了.

疑問4.摩擦力為什么總是阻礙相對運動或相對運動的趨勢

答：根據“機械嚙合理論”當兩物體表面間有相對運動或相對運動的趨勢時，“犬牙交錯”的部分會產生作用力，此作用力與相對運動或相對運動的趨勢方向相反，故摩擦力就與相對運動或相對運動趨勢的方向相反.我們也可以根據“分子作用理論”來解釋，分子之間會有個平衡位置，當分子之間距離小于平衡距離時分子力就表現為斥力，此時分子之間再靠近分子力就會阻礙它們靠近.當分子之間的距離大于平衡的距離時分子力表現為吸引力，此時分子之間再遠離吸引力就會阻礙它們遠離，所以在宏觀上就變現為摩擦力阻礙相對運動或相對運動的趨勢，

疑問5.靜摩擦力為什么不會產生內能，而滑動摩擦力會有內能產生？

答：根據分子動理論，當分子熱運動加劇時物體的內能就會增加.“黏合理論”告訴我們靜摩擦力作用的物體之間，接觸材料表面的分子會形成化學鍵，分子由于被化學鍵牢牢地束縛著，所以分子熱運動不會加劇，內能也就不會增加.而滑動摩擦力作用的物體之間，接觸面材料的分子之間的化學鍵會斷裂，化學鍵斷裂以后的分子就會產生劇烈振動，導致分子熱運動加劇，因此物體的內能就會增加，宏觀上就表現為摩擦生熱.

雖然摩擦力就發生在我們身邊，時時刻刻影響我們的生活，人們對摩擦力的研究也較早，但是對摩擦力產生機制的研究還在不斷的深入過程中.