关于摩擦力的微观解释探讨

工程技术学院本科课程论文1关于摩擦力的微观解释探讨秦杰黎昌金(内江师范学院工程技术学院四川内江641100）摘要:探究摩擦力的几个理论,以摩擦分子机械论出发,以微观角度为突破口建立合适的微观模型；重新梳理了微观摩擦力。关键词：摩擦力;分之间作用力;库仑力;电磁理论;摩擦分子机械论;中图分类号：文献标识码：文章编号：引言简单来说两个物体在实际接触相对运动或存在相对运动一个物体对另一个物体所为摩擦力.同时我们知道没有绝对光滑的物体，而且我们了解到物质是由分子组成的，另外，我们也知道，分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成.根据原子理论，通常情况下，原子核所带的质子数与核外电子数相等，电子分布的质量中心与原子核重合，弧立的原子呈中性.中性原子直径大约为10·-15m。但是当另一个原子向中性原子接近时，最外层电子之间首先发生电磁相互作用，电子分布中心由于受外力产生微小位移，偏离原子核，从而形成复杂的场的叠加.表现为吸引或排斥.据上分析我们可以推理，当两个物体互相挤压时，在实际接触的凸部顶端原子互相靠近，表面层的电荷分布发生畸变，总体看原子靠近的平均间距rr0(10·-15m)原子间的合力表现为吸引，该引力就是我们通常说的物体间的粘附作用.当物体处于平衡状态时引力与原子间的斥力等大而反向，斥力在宏观上表现为一个物体对另一个物体的正压力.现在我们对其中一物体施加一个横向力.那么在它们实际接触面即接点处，必将受到剪切，原子间有呈分离的趋势.原子间在切线方向即物体相对运动趋势的反方向形成阻碍物体作相对运动的力，这个力就是摩擦力.外加的横向力增大，则接点处的切向力随之增大，宏观上表现为静摩擦力增大，要使两个物体之一间相对滑动，则必须克服原子间的引力一一拉开些粘连点，摩擦力的最大值可以认为是拉开粘连点(接点)时的力.迄今为止人们已经认到，从宇宙天体到基本粒子，存在有四种基本的相互作用:引力作用、电磁作用、强作用、弱作用.按照作用距离的长短不同，可以把以上四种力分为长程力和短程力两种.强作用的距离短至10·-15m左右才发生，核力是强作用，当rr。时，核力比库仑力增加得更迅速，表现为斥力.在摩擦现象中，在微观接触面上，由于污染膜存在等原因(有的接点处，污染膜受压破裂使物体基体直接接触)，原子平均间距大于10·-15m(引力有效作用距离大工程技术学院本科课程论文2于斥力的有效作用距离)带电的原子之间的相互作用主要表现为电磁性的弓}力或斥力.所以摩擦力实质上是一种短程电力，它的基点仍是库仑力.1滑动摩擦力产生条件的问题关于摩擦力产生的条件,在现今高中物理教学和许多教学辅导书中都普遍存在如下观点,那就是产生摩擦力必须同时具备四个条件:(1)两物体相接触;(2)接触面粗糙;(3)物体间存在相互挤压,即有正压力(或称弹力)存在,N≠0);(4)有相对运动(或相对运动的趋势)。并明确指出存在下列情形:那就是两个相接触的物体即使接触面粗糙和有相对运动存在(或相对运动的趋势),也即同时满足条件(1)(2)和(4)也不会产生滑动摩擦力,因为它们间没有正压力[1]。一个经典的例证如图1所示:一物体A沿不光滑墙壁下滑,由于它们之间没有相互挤压,所以物体和墙壁之间不存在摩擦力,物体将做自由落体运动[2]。这种看法是时下高中物理教学和习题训练中关于摩擦力分析的一个极为普遍和典型的实例,为绝大多数教师和学生接受和认可。但笔者却认为上述的分析和例证值得商榷的。根据:f=μN(1此公式虽然很明确地反映了摩擦力的大小与接触物间的正压力N(或弹力)是成正比的,但这并不意味着必须在摩擦力产生的条件中应将其作为一个不可缺少的因素单列。究其原因就在于,上述有关摩擦力产生的四个条件中,条件(4)包含了条件(3),即:相接触的两物体间若接触面不光滑,当发生相对运动(或相对运动的趋势)时,必然会发生相互挤压,产生正压力(或弹力),因此再将条件(3)单独列为摩擦力产生的必备条件之一就显得重复和不必要,当然为了说明在摩擦力产生中一定有着接触物间的相互挤压而特别强调该问题是完全可以的,但是却不能因此将其作为滑动摩擦力产生的必备条件和其他三个条件相并列。更不能在此基础上还得出下列结论:相接触的两物体间虽然接触面粗糙并且发生了相对运动(或相对运动的趋势)却因为相互间不发生挤压,而不产生摩擦现象。那么为什么我们说条件(3)呢?下面我们就从摩擦力产生的微观机制来予以分析:就摩擦力的实质来讲,摩擦力是属于电磁力的范畴。尽管由于摩擦的复杂性,现阶段我们还没有对摩擦做出完美的解释,但从现代摩擦学理论来讲,摩擦作用的微观机制源于组成物体的分子和原子间的相互作用,这一点早已得到物理学界的公认。按照目前普遍认可的一种摩擦理论认为:相接触物体的真正接触面积是属于原子尺度的,只有很少的点真正相接触,这一接触面积只占总的几何接触面积的一个极其微小的部分,而摩擦力却正是源于原子接触的这些区域内原子之间的相互作用力。[3]同时由于原子接触面积占几何接触面工程技术学院本科课程论文3积的比例,正比于法向力(正压力)除以几何接触面积。因此当法向力增大一倍,原子接触面积也增大一倍,摩擦力便增大一倍,这就是摩擦力的大小正比于正压力,而与接触物的几何接触面积无关的原因所在[4]。但实际上无论多么光滑的表面,在显微镜下观察却是凹凸不平,使得相互接触的物体实际上是彼此镶嵌的,欲使两者沿接触面相对运动,就需超越此类相互的阻隔,这种超越既可能不破坏表面的凸起,发生轻微的上下跳跃,也可能使凸起断裂[5],因此当两块打磨得非常光滑的金属放在一起的时候,由于大量分子处于原子尺度的接触因而产生了强烈的相互吸引,从而造成它们之间存在非常大的摩擦作用。所以我们所说的光滑表面指的是一种理想模型,并非等同于表面打磨得非常光滑的物体。从上面摩擦力产生机制的分析中,我们不难得出下列结论:当表面粗糙的一物体沿另一物体表面滑动(或有相对运动的趋势)时,物体间相接触的点和彼此镶嵌的凸起之间必然会发生相互挤压和阻隔,产生阻碍相对运动(或相对运动的趋势)的力即摩擦力。因而笔者认为在摩擦力产生的必备条件中不需要再列入(3)。至于在物体A沿竖直墙壁下滑的例子中,笔者认为是存在摩擦力的,尽管这个力很小,可以忽略,但却存在的。因为A物体是沿竖直墙壁下滑(也就是物体A在整个下滑中一直是和墙壁相接触的),由于不是光滑表面,总会有一部分点彼此接触和镶嵌,也即存在原子尺度的接触面,虽然由于没有外加压力,这一接触面事实上极其微小,但确存在,否则就不能认为A是沿墙壁下滑的,当然由于正压力很小,所以滑动摩擦力很小而已。由此可见如果不忽略摩擦,物体A就不可能沿竖直墙壁做自由落体运动。而另一种情形是A的确是沿竖直方向做自由落体运动,但肯定不是沿墙壁滑下,而只是紧邻墙壁却并未接触。1.2库仑定律的产生人们对摩擦的研究比实际应用晚的多,欧洲文艺复兴时期,达.芬奇第一个对固体摩擦进行了实验研究,于1509年提出了理论,指出了摩擦力与法向压力成正比.法国工程师阿蒙顿利用光学透视镜研磨工具,实测了摩擦力与法向力之间的关系,于1699年进一步弄清了固体摩擦定律.著名物理学家库仑对滑动摩擦、滚动摩擦都做过精心的实验,发展了阿蒙顿的成果,于1785年完成了现在所称的古典摩擦定律———库仑摩擦定律,简称库仑定律.1.3库仑定律的内容该定律将摩擦的性质概括如下:(1)摩擦力的方向总是与接触面相对运动速度的方向相反,其大小与接触物体间的法向压工程技术学院本科课程论文4力成正比,即F=fN式中F———摩擦力;N———法向载荷;f———摩擦系数;(2)摩擦力与表面接触面积无关(3)摩擦系数的大小取决于接触两物体表面的材料性质,与滑动速度和载荷大小无关(4)静摩擦系数大于动摩擦系数2库仑定律局限性分析经过几百年的发展,现代摩擦学已经发现了库仑定律存在着很大的局限性,尤其是当今微观摩擦学———纳米摩擦学的发展,从深层次揭示了该定律的局限性.2.1现代摩擦研究中,发现的库仑定律局限性(1)对于极硬材料(如金刚石)或极软材料(如某些聚合物材料),摩擦力与法向载荷并不是呈线形关系.可见,f并不是固定不变的.(2)对于具有一定屈服极限的材料,如钢铁,摩擦力与名义接触面积的大小无关,但是对于弹性材料(如橡胶)和粘弹性材料(如某些聚合物)摩擦力与表面接触面积的大小存在一定关系;对于很洁净、很光滑的表面,或承受载荷很大时,由于接触面出现的分子(原子)吸引力,使摩擦力随着接触面积的增大而增大.(3)对于多数材料而言,摩擦系数的大小与滑动速度有关,随着滑动速度增高,摩擦系数会逐渐减小,两者之间还随载荷的大小而不同.(4)对于粘弹性材料,静摩擦不一定总是大于动摩擦力,有时却是小于动摩擦力.2.2对现代摩擦学中摩擦系数的研究中,发现的库仑定律局限性现代摩擦学的研究中,发现摩擦系数不是固定不变,而是受多种因素影响:(1)材料性质对摩擦系数的影响金属材料的摩擦系数,随配对材料的性质不同而异.一般情况下,相同金属或互溶性较大金属的摩擦副,其摩擦系数较大;反之,摩擦系数较小.但也有极少数金属例外.(2)载荷对摩擦系数的影响载荷对摩擦系数的影响与真实接触面积的大小有关.一般情况下,摩擦系数随载荷增大而降低,然后逐渐趋于稳定.静摩擦系数的大小,还与两表面在载荷作用下静止接触持续时间长短有关,持续时间越长,静摩擦系数越大.工程技术学院本科课程论文5(3)滑动速度对摩擦系数的影响许多研究学者对此都进行了深入的探讨,并得了各自不同的计算公式,但其结果很不一致.滑动速度对摩擦系数的影响,在很大程度上与表面温度密切相关.由摩擦引起的发热使表面局部温度升高,使表面性质发生变化.但是他们的研究成果都显示,随着滑动速度的增大,摩擦系数减小.(4)温度对摩擦系数的影响实验证明,许多金属及其化合物随着周围介质温度的升高,摩擦系数先慢慢降低,随后又急剧上升.但在压力加工情况下,摩擦系数却随温度的升高而增大.(5)表面粗糙度对摩擦系数的影响根据现在的实验,表面粗糙度的影响取决于实际接触处的变形特征.对于弹性或弹塑性接触的干摩擦,摩擦系数随表面粗糙度的增大而降低,当达到最小值后,又会逐渐升高,但对于在塑性接触情况下,摩擦系数却是随着表面粗糙度的增大而不断增大,只是不呈线形变化.(6)表面膜对摩擦系数的影响金属表面通常都有一层氧化膜或吸附气体膜或污染膜覆盖着.实验表明,这些表面膜对摩擦性质的影响十分明显,会使摩擦系数降低.以上各种因素对摩擦的影响,都不是孤立的,而是彼此之间相互联系的,这充分说明了库仑定律存在着局限性.2.3当今的微观摩擦学———纳米摩擦学研究中,发现的库仑定律局限性(1)微观摩擦系数远远小于宏观摩擦系数Bhushan和Koinkar分别采用球———盘实验机和摩擦力显微镜FFM,对材料的宏观摩擦系数和微观摩擦系数进行了对比实验.结果发现,微观摩擦系数远远小于宏观摩擦系数;当载荷增大时,微观、宏观摩擦系数都显著增加;他们还进一步推断,在轻载荷作用下,微小面积的滑动表面具有实现极低摩擦和零摩擦的可能性.(2)微观摩擦中,具有明显的各向异性特征材料的滑动摩擦力与晶格方向密切相关,具有明显的各向异性特征.对于石墨材料,沿(0001)平面滑动具有最低的摩擦力.(3)电场对摩擦的影响也十分显著日本东京都立科技大学的山本好夫等人根据金属干摩擦表面之间自生电势的极性和大小,通过外加电压控制可使2种材料的摩擦系数平均降低10%~20%,最高可降低64%;哈尔滨工大的翟文杰等通过实验,发现合理的外加电压可使摩擦系数降低12%~26%.微观摩擦学的研究,充分说明了库仑定律存在着应用的局限性.相信,随着研究的不断深入,还会发现物工程技术学院本科课程论文6体表面摩擦的许多崭新成果.参考文献[1]全永昕主编.工程摩擦学[M].浙江:浙江大学出版社,1994,11.[2]温诗铸著.纳米摩擦学[M].北京:清华大学出版社,2001,5.[3]陈燕生主编.摩擦学基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991,1.[4]黄淑清,聂宜如,申先甲.热学教程(第二版)[M].北京:高等教育出