从今天开始, 我们大家一起来聊一聊什么是摩擦力。
在第一篇文章当中, 我们先来讲一讲关于摩擦力的基本知识, 在后续的内容里, 我们再讲一些关于摩擦力存在的细节方面的事情, 以及那些经常被误解或者大家不太了解的事情。
01
关于摩擦力的那些基础性的知识内容。
简单一点进行表述, 我们可以得知, 摩擦力实际上是一种力。这种力出现在相互接触的物体之间。它的作用表现为对横向相对运动产生的对抗, 或者是对产生横向相对运动的趋势进行抵抗。
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从很直观的这个角度来看吧, 摩擦力它并不算是那种基本类型的力了, 这一点是很显然的, 因为说白了, 它就是物体与物体在接触的那个部位上, 由无数个小微粒一起凑合作用所产生的一个最终效果罢了, 而实际上再往微观的层面去深挖的话, 你就会发现它的这个本质其实是来自于电磁相互作用力的。
摩擦力是由大量粒子集体参与作用的, 所以它的作用过程表现为一种宏观现象。这种情况必然与大量粒子的运动状态紧密相关。这也就是人们通常所说的那类热现象。
当一个物体的接触面出现相对滑动的情况时, 那些距离彼此非常近的原子或者分子, 就会产生相互推动以及相互拉扯的动作。这种现象主要会引发两种结果。第一种结果是粒子之间的结合状态被打破, 随后又重新结合, 这一过程通常会引起发热。
第二种结果是原子在受到外来力量作用的影响之后, 会进入加速运动的状态, 进而导致其自身热运动的动能发生增加, 最终使得整体温度升高, 这同样也会伴随着发热的现象产生。
不管你朝哪个方向去运动, 只要存在摩擦力的那种拉扯, 最后都会造成同样的那个下场。这个下场就是把原本的机械能硬生生换成热能。你想啊, 你根本不可能靠着往相反那边走的摩擦, 把刚才已经生出来的那些热给全部抓回来重新利用。
路程如果拉得越长, 因为摩擦而跑冒出去的热自然就更多的。换个说法讲, 这种摩擦力它就是一个非保守力, 它在使劲做功的那个过程中间, 并不是说你做完一遍就能原封不动倒回去的, 也就是不可逆的。
摩擦起电是另一个由摩擦所导致的典型现象, 简单来说, 在不同物质内部电子所受到的束缚作用存在着差异, 在这两种物质相互接触的过程中, 其中一方会获得电子, 进而使得电荷发生分离的现象出现, 而摩擦力在此过程中所发挥的作用, 仅仅在于强化了两种物质之间的接触力度高中物理摩擦力分析，所以这种强化最终导致了更加显著的电荷分离情况。
因为涉及的原子数量真的太多了, 所以如果要是从第一性原理这个层次上去计算摩擦力, 那简直是不切实际的, 这样一来, 摩擦力通常也就只能依靠经验分析这个方法来进行研究了。
法国这位叫阿蒙顿的物理学家, 他在生活里待过的时间是从那一六六三年一直到那一七零五年, 然后, 这个人是最开始的时候, 很系统地给大家说出了有关固体和固体之间那个互相摩擦时候产生力量也就是摩擦力方面的三样经过反复实践总结出来的经验里面的规律规则, 就比如说。
我们来看第一个定律, 这个定律讲得是摩擦力跟施加的正压力之间存在着成正比的关系, 然后我们要看第二个定律, 这一条是说摩擦力的大小表观的接触面积对它没有任何影响, 接着就是第三个定律了, 在讨论动摩擦的时候, 发现它和滑动的速度是没有关系的。
同为法国的物理学家库伦, 出生于1736年, 逝世于1806年, 他用一个数学表达式来表示固体之间的摩擦力, 即这里的符号包含了静摩擦和滑动摩擦这两种类型, 所谓的摩擦系数, 就是简称为COF的那个数值代表了接触面间沿法线方向的力。
如果表面的彼此之间的状态是保持相对的静止, 这就属于静摩擦的情况, 那个所谓的静摩擦系数存在, 此时前面的公式只能去选择小于号的符号；而如果表面之间确实发生了相对的运动, 这就归属于动摩擦的范畴, 那个动摩擦系数随之出现, 此时前面的公式就只能使用等号了。
这两个摩擦系数的数值是不相同的, 通常情况下前一个比后一个大, 但是对于金属和金属之间的摩擦而言, 这两者的系数几乎是没有差距的, 几乎是一样的。
如果保持正压力不变, 在物体之间开始发生相对运动之前, 静摩擦力会一直随着外力而变化, 这个力和外力的关系是平衡的关系也就是彼此相等, 直到它的数值等于某个特定的值, 这就是我们所说的最大静摩擦力的大小。
若是外力再往下增加的话, 那么物体就会开始滑动, 这时候产生的摩擦力就变成了动摩擦力, 因为普遍的情况来看, 动摩擦力要比静摩擦力小一些, 所以通常情况下大家会觉得滑起来比刚开始动起来的时候要轻松一点。
从图片里可以看出来, 摩擦力是会随着外力改变而变化的。
上面说的是一种用来算固体之间摩擦力的那个大概的模型, 人们管这个叫库伦模型, 中学物理课本里教的那个有关摩擦力的基本规则, 都是从这个模型里面来的。
随着研究的不断深入, 人们逐渐认识到一个情况。那就是除了库伦模型所描述的固体摩擦之外。这种固体摩擦也被称为干摩擦。实际上还存在很多种不同类型的摩擦力。这其中就包括了流体摩擦这一类型。流体摩擦是指粘性流体之间。
因为发生了相对运动。从而所产生的那种摩擦力。此外还有润滑摩擦这一类型。它指的是被流体隔开的固体之间。所发生的摩擦现象。另外还有皮肤摩擦这一类型。这是指流体在固体表面移动时。所造成的那种摩擦力。
文章的后文将仅仅针对固体摩擦这一话题展开具体的阐述与讨论。
02
摩擦系数这个数值它是不是一个固定不变的常数。
根据库伦摩擦的理论, 摩擦系数是在决定摩擦力与正压力比例关系的关键因素, 那么它到底是什么东西呢。
不同材料相互接触时, 它们之间的摩擦系数是不一样的。拿具体例子来说吧, 钢面上有冰的时候, 摩擦系数是低的。而路面上的橡胶, 其摩擦系数则是高的。
另外, 相同种类金属表面之间的摩擦系数, 往往大于不同种类金属表面之间的摩擦系数。就像黄铜和纯黄铜配对时的摩擦系数是比较高的, 但是它如果配合使用钢或者铝, 那么摩擦系数就变小了。
摩擦系数必须通过实验测量, 不能通过计算找到。它一般小于1，但可非常接近零, 还可取大于1的数。
一般来说, 多数固体材料的摩擦系数数值位于零点三到零点六这个区间之内。
大于或是小于这个区间的数值相对要少一些, 可是例如聚四氟乙烯这种作为不粘锅涂层材料所用到的物质, 它的摩擦系数却低于零点零四, 同时石墨的摩擦系数更低, 达到了零点零一, 这就导致了当钥匙不好用的时候, 铅笔灰确实是很管用的, 然而硅橡胶或者丙烯酸橡胶这些涂层表面的摩擦系数却能够远远大于一点, 因此受到了汽车轮胎制造的青睐。
摩擦系数并不属于物质属性这一范畴, 这是因为该数值会受到温度、表面粗糙度以及其他众多因素的影响, 因此我们在实际认知中, 完全可以将摩擦系数视为一种系统层面的属性表现。此外, 进一步的分析表明, 摩擦系数并非一个保持严格恒定的固定数值, 它还与接触时间的长短存在关联性的关系。
因为物体接触面的啮合程度, 会随压力作用而改变。这种改变, 并不是瞬间完成的。而是需要时间, 才能来完成。如果压力在作用中途发生变化, 那么接触面啮合程度, 也一定会产生变化。因此严格来说, 摩擦系数, 与压力以及压力作用的时间, 都是有关联的。
我们设那个物体是从零点钟时刻起, 才开始接触这个接触面的, 它沿着这个接触面切向的那个拉力, 是随着时间的推移而不断增加的, 但是在这样一个变化过程中, 正压力却是保持恒定不变的, 下面给出的这个图里, 展示的这种情况之下, 某种材料中间的那些摩擦力, 是关于接触时间发生变化的具体的一种情况。
因此, 关于上节图2当中所展示的, 那种摩擦力随着外力发生变化的简单关系图而言, 它实际上仅仅是一种理想情况下的表现, 而真实的客观情况却远非如此简单明了。
但是物业经理人，在大多数的理论计算里面, 只需要考虑那种理想的状态。这种理想状态是怎么样的呢? 它是基于阿蒙顿第一定律来的。在这个定律下, 人们觉得摩擦系数一直是不变的。因为这样, 动摩擦力就会随着压力的变大而往上涨。而且这个涨法是有规律的, 是成比例地、一线性地增加进去的。
03
库伦模型的局限性
从微观尺度上面来说, 产生固体摩擦力这个情况的原因是什么呢? 是因为物体的接触面并不平整, 它是凹凸不平的。如下图所示，在这个体系之间, 实际接触的面积只占整体表面积的一小部分, 并不是全部都是接触到的。
如下图所示, 随着时间不断地推移, 压力也不断地增加, 接触面积就跟着慢慢地扩大, 这种状况的持续发生, 进而就会导致摩擦力一点一点地变大起来。
看到这里, 不少人心里会想, 这摩擦力是不是跟接触面的情况有关系。你得知道, 那接触面说到底, 还是得看正压力有多大。因此, 最大静摩擦力和动摩擦力, 它们依然要和正压力保持成正比例的关系。
因此, 在一般情况下, 当压力作用的时间足够长的时候, 由于摩擦系数已经稳定了, 所以, 简单通用的库伦模型总是与实际符合得很好的情况是存在的。
然而必须承认一点, 库伦模型其实只算是那种凭借经验总结出来的说法, 它不可能在任何情况下都成立无误, 这就意味着最大静摩擦力和动摩擦力这两个物理量高中物理摩擦力分析，跟正压力之间并不是那种严格成立的线性关联, 即并非严格的正比例关系。
那么在那些情形之下, 库伦模型会跟实际操作呈现出最为严重的差异表现。
请你思考一下, 在什么样的情况之下, 压力几乎不存在, 但是依然存在很大的抵抗相对运动的力。
这是毫无疑问的, 胶布正是处于这样一种状态, 原因就在于存在一种表面间的结合现象, 使得摩擦力会变得非常大, 所以一旦表面间的结合表现得十分明显, 那么摩擦力就会跟接触面的大小产生关联, 意味着接触面积越大, 摩擦力也就越大, 这当然就不归属于库伦摩擦这一范畴了。
这其中的道理其实就在于, 我们如果想要增大摩擦力, 那么在实施包装操作的那个过程中, 就必须尽可能选择在更多的不同位置上贴加胶布。
当然, 一旦粘上去了以后, 由于胶会排空接触那个地方的空气, 所以大气压就会产生很大的压力, 这样一来结合得就更加牢靠了！
汽车贴膜, 更典型的例子就是手机钢化膜, 它们都是通过胶水来粘住的。
在钢化膜的上面, 使用了一种两面胶。其中A面是OCA胶, 就是人们俗称的光学胶, 这种材质透光率极高, 数值能达到90%以上, 并且粘度很大。
B面采用的是硅胶材料, 这种物质具备一种特性, 它可以通过物理方面的范德华力以及化学方面的氢键作用来吸附并分离空气分子。所以当它跟光滑且平坦的物体表面进行贴合的时候, 它能够自动地把气泡给排除出去, 让接触面形成真空状态, 最终实现完美贴合的效果。
当然, 结合这一动作并不一定非要借助胶水的力量。
举例来说, 存在这样一种具体情形, 是两块原本质量很轻但是硬度非常高的板材相互叠放起来, 假若它们相互接触的那些表面呈现出像犬牙交错那般复杂的凹凸形态并且被精准地对齐并紧密地啮合在一起, 就像下面的这张图片所展示的那样, 在即使完全不施加任何正方向的压力这种条件下, 这两个物体之间所存在的摩擦力数值也是相当巨大的。
04
难道接触面越平滑, 摩擦力反而会变大吗。
在实际的操作场景中, 工作人员们常常会观察到这样一个现象, 即当两个物体的表面看起来原本是非常光滑的时候, 一旦它们受到外力的作用并且紧密地接触贴在一块儿之后, 紧接着就会变成一个不可分割的整体, 其摩擦系数会大幅度激增, 最后导致人们无法把它们再分开。
这种情况往往发生在金属材料之间, 例如磨的非常光滑的不锈钢平板受到压力后会产生巨大的摩擦力。
你可能会感到纳闷, 为什么就连那些看起来非常平滑的表面与表面相接触的时候, 居然也会产生摩擦力这种情形呢?
简单的说, 随着表面光滑度的增加, 分子间的相互作用, 也就是范德华力, 会随之增加, 从而形成分子级别的结合力, 导致摩擦力增加。
这是一种关于摩擦力的新学说, 这个名字叫做粘附说。而传统的摩擦力学的说法呢, 是被称作凹凸啮合说的那一个概念体系。
粘附说最早是在1734年由英国物理学家德萨吉利埃, 也就是名叫约翰的这位专家, 他是从那个被称为摩擦分子说的理论当中发展出来的。
他认为, 接触面之间的确是存在着某种在分子级别的微观力, 这种力量导致了表面粘在一起的情况。从当前的角度来看, 他这一观点基本上是正确的。需要补充说明的是, 导体和绝缘体这两个名词, 实际上就是由他所发明的。
来自分子层面的摩擦解释, 在很长一段时间里头都处在非主流的位子上, 这是因为它违背了人们的直观感受, 并且在那段漫长的时期里, 科学实验方面也没有取得什么显著的进展。
到了20世纪的时候, 由于表面技术加工方面取得了进步, 同时清洁水平也得到了显著的提高, 所以德萨吉利埃他提出的关于分子的学说, 这才终于得到了证实。然后, 以此为基础呢又慢慢地发展起来了, 于是也就有了我们现在所说的现代粘附学说了。
在这方面地主要贡献由英国物理学家哈迪（W.B. Hardy, 1864 – 1934)）完成。他通过充分研磨和清洁的玻璃之间的摩擦证明, 更光滑的表面可以产生更强的摩擦力。
这里存在着一项关键证据, 该证据来自于固体表面污染膜所发挥的作用。之所以这样说, 是因为污染膜的厚度通常情况下是在几十个纳米的这个水平之上进行度量的。
与此同时, 固体表面出现的凹凸不平的状况, 鉴于当前已经具备的加工技术条件来看, 其程度也大致处于同样的范围之内。更有甚者, 这种凹凸不平的程度还可能低于这个数值。
假如凹凸啮合说成立, 那么污染膜的干净或者是脏, 就不应该对摩擦力造成明显的影响。但是现实情况并非如此, 在把污染膜清理干净之后, 摩擦力出现了非常显著的大幅度增强。
这只能说明当那层被污染的膜还没有被清理干净的时候, 它挡住了接触面中间的分子之间的作用力, 而一旦把这层膜拿掉以后, 这种作用力就变得更强了，从而导致摩擦力明显地增大了。
因此, 在当前的时代, 现代科学对于摩擦这一现象的作用机理, 通常是建立在分子层级上的相互作用基础之上的粘附理论。
不过, 针对大多数实际情况下面固体摩擦所涉及的领域, 人们通常有一种习惯性的说法, 这种说法就是认为粗糙代表着存在摩擦力这种情况的出现, 而光滑这个词语仍然是用来特指那些摩擦系数会趋向于零的情形。