影响滑动摩擦力的因素

章志远　艾复俊　何贵男

摘 要：在分子（原子）层面上对滑动摩擦力本质作了简述，并联系生活实际，举例说明了影响摩擦力的各种因素，以期对相关方面的研究提供有意义的参考和借鉴。

关键词：接触面积；分子；摩擦因素；滑动摩擦力

中图分类号：O41 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.15.108

文章编号：2095-6835（2015）15-0108-02

滑动摩擦力的基本定义为：从宏观的角度，相互接触的物体发生相对运动时，物体之间产生的阻碍这种运动的力；从微观的角度，摩擦力实际上是互相接触的物体接触面上两侧分子之间的吸引力。

1 滑动摩擦力的本质

对于生活中普遍存在的力——摩擦力，人们从很早就对其进行了研究，对于摩擦力的本质，存有不同的学说。

1.1 凹凸啮合说

15—18世纪，科学家提出的一种关于摩擦本质的理论啮合说认为，摩擦是因互相接触物体的表面粗糙不平而产生的。两个物体接触挤压时，接触面上的凹凸部分会相互啮合。如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分会相碰撞，产生断裂、磨损，进而形成对运动的阻碍。

1.2 黏附说

黏附说是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论。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之间的摩擦力会增大，可用两个物体表面充分接触时分子引力增大解释摩擦力。

自20世纪以来，随着工业和技术的发展，对摩擦理论的研究进一步深入。20世纪中期，诞生了新的摩擦黏附论。新的摩擦黏附论认为，无论多么光滑的两个接触面，从原子的尺度看仍旧是粗糙的，用放大镜观察可以发现其表面是凹凸不平的，好像布满高峰和山谷，就算经过车床加工的金属表面，峰高也可达5 μm。虽然经过仔细打磨，峰高可减小至0.1 μm，但对于原子尺度而言，其仍然是很大的。当两个物体的表面相互接触时，实际上只有表面上凸起的区域是相互接触的，这些区域的分子（原子）非常接近，分子（原子）间存在非常强的相互作用力。当两个接触点发生相对滑动时，势必要剪切、破坏原先所有的接触点，使凸起部分发生断裂，进而对物体的运动造成阻碍，便产生了摩擦力。接触点以外的区域中，分子（原子）间的间距较大，相互作用力很弱，与实际接触区域相比可忽略不计。

2 滑动摩擦力与接触面积的关系

中学物理教材中给出的滑动正压力摩擦力公式为：

式（1）中：N为接触面法向正压力；μ为动摩擦因数。

由式（1）可见，滑动摩擦力大小与正压力成正比，而与接触面积的大小无关。实际上，“接触面积”是表观上的接触面积，并非实际接触面积。两物体表面接触时，实际的接触面积远小于表观上的，一般只有表观上的10-5～10-1.如果实际接触面积增加，发生分子间作用的分子数也在增加，则滑动摩擦力也会相应增加。压力的增加会使实际接触面积增加，导致滑动摩擦力增加。

而如果压力不变，对于一定的物体而言，即使表现接触面积发生变化，实际的接触面积也不会改变。因此，宏观上表现为滑动摩擦力与接触面积无关。

3 影响动摩擦因数的因素

动摩擦因数μ实际上是一个简化的物理量，其与物体表面的粗糙程度不是简单的线性关系。对于粗糙的表面，接触面的凹与凸部分交错契合会使μ增大；但对于光滑表面，由于实际接触面积与接触点间的黏结强度提高，μ也会增大，出现“冷焊”现象。比如，在制作光学器件时，往往将两块光学镜片的接触面间打磨得非常光滑，使之直接接触形成一个整体，在光学工艺上被称作“光胶”，实际上不存在任何胶，只是利用了接触面间的光洁度。

3.1 材料性质对动摩擦因数的影响

分子或原子结构相近的材料互溶性较大，易发生黏着，导致动摩擦因数增大；而分子或原子结构差别大的材料互溶性小，不易发生黏着，则动摩擦因数一般比较小。比如，钢铁与钢铁、木材与木材相接触的动摩擦因数会大于钢铁与木材。

3.2 温度对动摩擦因数的影响

对于大多数金属材料之间的摩擦而言，动摩擦因数随温度升高而降低，极少数（比如金与金）会随温度升高而升高；对于温度不敏感的材料（石墨），动摩擦因数几乎与温度无关。同时，对于物体的相对运动速度引起温度的变化，也会使动摩擦因数发生改变。

4 干摩擦力与湿摩擦力

固体与气体、固体与液体之间的摩擦统称为湿摩擦，固体与固体之间的摩擦称为干摩擦。湿摩擦力是因接触面间的薄黏性流体剪断产生的，其摩擦系数远小于干摩擦，因此，湿摩擦力小于干摩擦力。

在固体接触面间涂上一层润滑油，可将干摩擦变为湿摩擦，从而减小摩擦力。比如，穿上滑冰鞋在冰面上滑行时，冰刀会使冰瞬间化为水，即使干摩擦变为半湿摩擦。如果穿冰鞋在地板上溜滑，即使地面像冰面一样光滑，但由于干摩擦无法变为湿摩擦，冰刀依然滑动不起来。

5 接触时间对滑动摩擦力的影响

实验表明，在一定的限度内，两物体表面接触的时间越长，滑动摩擦力越大。产生这种现象的机理有3个方面。

5.1 接触时间对凹凸搭合的影响

在一定的限度内，随着接触时间的延长，物体相互接触的两表面上的凸起和凹陷部分相互搭合、相嵌的配对数目会增多，使表面间发生相互作用的分子数目增多，凹、凸彼此契合得更加紧密，如果要发生相对运动，则需要的剪切力就越强。

5.2 接触时间对表面形变的影响

在一定的限度内，随着接触时间的延长，相接触的两物体表面的弹性形变和塑性形变越剧烈。对于弹性形变，表面上凹陷的部分会更加下陷，导致发生相对滑动时，表面上的凸起部分需要爬升的高度增加，使滑动摩擦力增大；对于塑性形变，接触表面上的凸起部分在巨大的压强下会破损、断裂，使互压的高峰彼此契合得更加紧密、牢固，进而使实际接触面积增大，有效相吸的分子数变多、分子吸引力变大。

5.3 接触时间对分子对移的影响

在一定的限度内，随着接触时间的延长，在相接触的物体表面上，由于接触点间分子的强相互作用，发生相互相转移的分子数增多，“冷焊”现象更加明显。相对滑移的运动动能转化为对移分子的热振动能越多，能量损耗得越大，进而表现为摩擦阻力增大。

参考文献

[1]温诗铸，黄平.摩擦力学原理[M].第三版.北京：清华大学出版社，2008.

[2]北京大学物理系普通物理教研室.普通物理学（力学部分）[M].北京：人民教育出版社，1961.

〔编辑：张思楠〕