影響滑動摩擦力的因素

章志遠　艾復俊　何貴男

摘 要：在分子（原子）層面上對滑動摩擦力本質作了簡述，并聯系生活實際，舉例說明了影響摩擦力的各種因素，以期對相關方面的研究提供有意義的參考和借鑒。

關鍵詞：接觸面積；分子；摩擦因素；滑動摩擦力

中圖分類號：O41 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.108

文章編號：2095-6835（2015）15-0108-02

滑動摩擦力的基本定義為：從宏觀的角度，相互接觸的物體發生相對運動時，物體之間產生的阻礙這種運動的力；從微觀的角度，摩擦力實際上是互相接觸的物體接觸面上兩側分子之間的吸引力。

1 滑動摩擦力的本質

對于生活中普遍存在的力——摩擦力，人們從很早就對其進行了研究，對于摩擦力的本質，存有不同的學說。

1.1 凹凸嚙合說

15—18世紀，科學家提出的一種關于摩擦本質的理論嚙合說認為，摩擦是因互相接觸物體的表面粗糙不平而產生的。兩個物體接觸擠壓時，接觸面上的凹凸部分會相互嚙合。如果一個物體沿接觸面滑動，兩個接觸面的凸起部分會相碰撞，產生斷裂、磨損，進而形成對運動的阻礙。

1.2 黏附說

黏附說是繼凹凸嚙合說之后的一種關于摩擦本質的理論。最早由英國學者德薩左利厄斯于1734年提出，他認為兩個表面拋得很光的金屬之間的摩擦力會增大，可用兩個物體表面充分接觸時分子引力增大解釋摩擦力。

自20世紀以來，隨著工業和技術的發展，對摩擦理論的研究進一步深入。20世紀中期，誕生了新的摩擦黏附論。新的摩擦黏附論認為，無論多么光滑的兩個接觸面，從原子的尺度看仍舊是粗糙的，用放大鏡觀察可以發現其表面是凹凸不平的，好像布滿高峰和山谷，就算經過車床加工的金屬表面，峰高也可達5 μm。雖然經過仔細打磨，峰高可減小至0.1 μm，但對于原子尺度而言，其仍然是很大的。當兩個物體的表面相互接觸時，實際上只有表面上凸起的區域是相互接觸的，這些區域的分子（原子）非常接近，分子（原子）間存在非常強的相互作用力。當兩個接觸點發生相對滑動時，勢必要剪切、破壞原先所有的接觸點，使凸起部分發生斷裂，進而對物體的運動造成阻礙，便產生了摩擦力。接觸點以外的區域中，分子（原子）間的間距較大，相互作用力很弱，與實際接觸區域相比可忽略不計。

2 滑動摩擦力與接觸面積的關系

中學物理教材中給出的滑動正壓力摩擦力公式為：

式（1）中：N為接觸面法向正壓力；μ為動摩擦因數。

由式（1）可見，滑動摩擦力大小與正壓力成正比，而與接觸面積的大小無關。實際上，“接觸面積”是表觀上的接觸面積，并非實際接觸面積。兩物體表面接觸時，實際的接觸面積遠小于表觀上的，一般只有表觀上的10-5～10-1.如果實際接觸面積增加，發生分子間作用的分子數也在增加，則滑動摩擦力也會相應增加。壓力的增加會使實際接觸面積增加，導致滑動摩擦力增加。

而如果壓力不變，對于一定的物體而言，即使表現接觸面積發生變化，實際的接觸面積也不會改變。因此，宏觀上表現為滑動摩擦力與接觸面積無關。

3 影響動摩擦因數的因素

動摩擦因數μ實際上是一個簡化的物理量，其與物體表面的粗糙程度不是簡單的線性關系。對于粗糙的表面，接觸面的凹與凸部分交錯契合會使μ增大；但對于光滑表面，由于實際接觸面積與接觸點間的黏結強度提高，μ也會增大，出現“冷焊”現象。比如，在制作光學器件時，往往將兩塊光學鏡片的接觸面間打磨得非常光滑，使之直接接觸形成一個整體，在光學工藝上被稱作“光膠”，實際上不存在任何膠，只是利用了接觸面間的光潔度。

3.1 材料性質對動摩擦因數的影響

分子或原子結構相近的材料互溶性較大，易發生黏著，導致動摩擦因數增大；而分子或原子結構差別大的材料互溶性小，不易發生黏著，則動摩擦因數一般比較小。比如，鋼鐵與鋼鐵、木材與木材相接觸的動摩擦因數會大于鋼鐵與木材。

3.2 溫度對動摩擦因數的影響

對于大多數金屬材料之間的摩擦而言，動摩擦因數隨溫度升高而降低，極少數（比如金與金）會隨溫度升高而升高；對于溫度不敏感的材料（石墨），動摩擦因數幾乎與溫度無關。同時，對于物體的相對運動速度引起溫度的變化，也會使動摩擦因數發生改變。

4 干摩擦力與濕摩擦力

固體與氣體、固體與液體之間的摩擦統稱為濕摩擦，固體與固體之間的摩擦稱為干摩擦。濕摩擦力是因接觸面間的薄黏性流體剪斷產生的，其摩擦系數遠小于干摩擦，因此，濕摩擦力小于干摩擦力。

在固體接觸面間涂上一層潤滑油，可將干摩擦變為濕摩擦，從而減小摩擦力。比如，穿上滑冰鞋在冰面上滑行時，冰刀會使冰瞬間化為水，即使干摩擦變為半濕摩擦。如果穿冰鞋在地板上溜滑，即使地面像冰面一樣光滑，但由于干摩擦無法變為濕摩擦，冰刀依然滑動不起來。

5 接觸時間對滑動摩擦力的影響

實驗表明，在一定的限度內，兩物體表面接觸的時間越長，滑動摩擦力越大。產生這種現象的機理有3個方面。

5.1 接觸時間對凹凸搭合的影響

在一定的限度內，隨著接觸時間的延長，物體相互接觸的兩表面上的凸起和凹陷部分相互搭合、相嵌的配對數目會增多，使表面間發生相互作用的分子數目增多，凹、凸彼此契合得更加緊密，如果要發生相對運動，則需要的剪切力就越強。

5.2 接觸時間對表面形變的影響

在一定的限度內，隨著接觸時間的延長，相接觸的兩物體表面的彈性形變和塑性形變越劇烈。對于彈性形變，表面上凹陷的部分會更加下陷，導致發生相對滑動時，表面上的凸起部分需要爬升的高度增加，使滑動摩擦力增大；對于塑性形變，接觸表面上的凸起部分在巨大的壓強下會破損、斷裂，使互壓的高峰彼此契合得更加緊密、牢固，進而使實際接觸面積增大，有效相吸的分子數變多、分子吸引力變大。

5.3 接觸時間對分子對移的影響

在一定的限度內，隨著接觸時間的延長，在相接觸的物體表面上，由于接觸點間分子的強相互作用，發生相互相轉移的分子數增多，“冷焊”現象更加明顯。相對滑移的運動動能轉化為對移分子的熱振動能越多，能量損耗得越大，進而表現為摩擦阻力增大。

參考文獻

[1]溫詩鑄，黃平.摩擦力學原理[M].第三版.北京：清華大學出版社，2008.

[2]北京大學物理系普通物理教研室.普通物理學（力學部分）[M].北京：人民教育出版社，1961.

〔編輯：張思楠〕