力学问题讨论：越光滑，摩擦力越小吗？
教育
2024-10-14 15:55
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Part101 摩擦研究简史
对固体接触面之间的摩擦的研究，可以追溯到15世纪文艺复兴时期，代表人物是意大利开挂牛人达·芬奇，他首次引入了摩擦系数的概念。17世纪末，法国物理学家阿蒙顿提出了阿蒙顿摩擦定律，即：摩擦力与压力成正比，与接触面积无关。这与我们高中课程中的滑动摩擦力公式非常相似，即其中为两接触面之间的动摩擦因数，为两接触面发生相对滑动时的摩擦力，为两物体之间的压力。早期科学家从纯机械论的角度解释摩擦，提出了“凹凸啮合说”或简称“凹凸说”。凹凸说认为：物体的表面并不是绝对的光滑，而是有微小的凹凸，正是因为这些微小的凹凸不平犬牙交错，阻止了物体相互滑动，如下图所示。![]()
18世纪初，英国物理学家德萨古利埃抛弃了凹凸说，提出了分子说，即：产生摩擦力的原因归为摩擦表面的分子力的作用，并由此推断“摩擦表面越光滑，摩擦力应该越大”。可惜当时并没有较好的加工技术，以至于他的预言直到100多年后才被英国科学家哈迪用实验证实。而且在那个年代，微观世界的认识还非常匮乏，这种分子说就难免不受待见了。18世纪末，库仑对摩擦力有了更深入的研究，库仑大体上认同凹凸说，并提出：静摩擦力大于滑动摩擦力、摩擦力的大小与滑动速度无关、摩擦力的方向总与相对运动方向相反。同时，库仑也认识到影响摩擦力的因素非常多，以至于不知道选择哪一些才好。19世纪，工业革命的推进，蒸汽机进入实用阶段，机器润滑就成了研究摩擦的重要内容。这个时候，人们开始发现：压力超过一定数值之后，摩擦系数会迅速增大，以至于库仑的摩擦定律（或者说是阿蒙顿摩擦定律）不再成立。物理学家希尔将凹凸模型转换为弹簧模型（或者“犁钩”模型），把摩擦力看作弹性形变的阻抗。莫伦和雷尼则测定了许多摩擦系数的值，直到今天仍广泛应用。希伦研究了润滑对摩擦力的影响（达·芬奇也研究过）。瑟斯顿制作了各种测定摩擦系数的器械。这个时期人们对摩擦力的研究有了很大的进展。到了20世纪，人们对微观世界的认识已经有了巨大的提升，对分子说的再认识就成了摩擦研究的主流。1920年前后，物理学家哈迪以分子说为基础提出了粘合说。有不少支持粘合说的实验证据，如温度升高会引起摩擦系数增大、极少量气体进入真空室可降低摩擦系数等等。尽管摩擦力的本质是微观电磁相互作用的宏观表现，但直至目前为止，似乎仍然没有较好的理论，可以较完整和圆满地将摩擦的机理说清楚，也就是说摩擦的本质至今还没有完全研究清楚。Part202 越光滑摩擦越小吗
按照目前科学研究的认识，基本上可以否定“表面越光滑，摩擦力越小”的论断。在现代工艺加持下，可以让物体的表面非常光滑，最大起伏达到微米级别，甚至更低。在这种光滑程度表面的摩擦力，往往比日常生活中所接触到的粗糙表面的摩擦力还要大。我们平时使用的教材和接触的习题中，常常出现“粗糙表面”和“光滑表面”的说法，我们又应该如何理解呢？实际上，这样的说法可以说是历史的产物，它所表达的意思是：“粗糙”指的是有摩擦、“光滑”指的是没有摩擦。其中这里所说的“没有摩擦”，在现实生活中自然是没有的，这是一种理想化模型，它表达的意思是：摩擦力很小，以至于几乎不影响问题的研究。鉴此，我们认为平时所说的“表面光滑”是作为“不考虑摩擦力的影响”的同义表述，而不是指完全没有凹凸的理想几何面。Part303 最后
摩擦的原因众多，很难用一种理论解释。以我粗浅的理解，是因为宏观物体所涉及的分子相互作用（即电磁相互作用）的数量巨大（近似认为的阿伏伽德罗常数的数量级……），它当然是一个复杂系统。在日常生活中，能够总结出一个，本身已经是一件非常了不起的事情了。鉴于本人知识有限，做事常常不够细心，错漏在所难免，欢迎批评指正！Part403 往期问题讨论
物理七巧板
一个高中物理老师在写文章，有一些是关于物理的。
