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摩擦力的物理機制
和大多數人想象的不同,摩擦力的機理至今為止沒有一個足夠好的理論來解釋,雖然存在大量的不同摩擦理論,但是都存在不同程度的問題.不過這不影響工業界使用一些近似的理論進行工程上的開發,但是在科學上,就我目前所了解到的情況來看,這應該還是一個待解決的問題.
對于宏觀的,具有屈服強度的非粘性材料(通常就是金屬),在界面上沒有介質影響的情況下的摩擦(干摩擦)在實驗上大致的有這么幾條規律,其中有三條是我們在高中學過的:
靜摩擦系數大于動摩擦系數
摩擦系數與接觸面積無關
摩擦力大小與滑動速度無關
還有我們沒見過的三條:
靜止接觸時間越長,靜摩擦系數越大
滑動摩擦不是連續發生而且存在躍動
靜摩擦存在一個預位移(發生靜摩擦時會產生一個微小的位移)
這其中,第三條我們在日常生活中是無法觀察到的,第一條很少能直觀的觀察到(因為生活中很少有滿足要求的金屬物品),而第二條則很常見:用一支粉筆,把底面磨平,在一個光滑表面直立摩擦,就能聽見響亮的嘯叫,這就和躍動有關;又比如汽車剎車的時候,也能聽見來自摩擦躍動的嘯叫.
前面也提到了,為了解釋摩擦現象,存在著大量的摩擦理論,我們這里只簡要介紹同以上六條實驗規律相關的幾種常見的摩擦理論.
首先是上面答主提到的機械嚙合理論,這也是一般高中老師會提到的理論,這種理論認為是材料表面的粗糙不平導致了摩擦的存在,具體的說,是由于材料表面凸起與凹陷的耦合,碰撞,以及經常提到的犁溝效應,即材料表面的凸起引起對面表面的凹陷,產生力的作用.
這是最好理解的理論了.然而這個理論的問題當然也是非常多的,最致命的打擊是,根據這個理論,越光滑的表面摩擦系數小,然而正如上面的答主提到的一樣,兩個極度光滑的金屬表面反而會使摩擦力增加,同樣的,這個理論很難解釋預位移,躍動,還有靜摩擦系數隨時間增加等問題.
在對分子間作用力有一定了解之后,人們提出了分子作用理論,該理論的基本想法是固體間接觸的部分存在分子間作用力,當表面滑動的時候,分子直接接觸分離,前后的勢能差導致了摩擦力的存在.
分析模型可以知道,該摩擦力大小與分子分離數成正比,與分離能成正比,從而與接觸面積成正比.因為分子分離能對位置高度敏感,可猜測摩擦力與壓力基本無關.
根據該模型的預測,摩擦力與接觸面積成正比,與粗糙程度成負相關,與壓力基本無關.很顯然這個模型和上面的六個實驗現象并不符合.
1945年提出的粘著摩擦模型結合了上面兩種理論(這個時候相對論和量子力學都建立很久了),要點如下:
接觸面表面處于屈服狀態
也就是說,由于表面粗糙,接觸面很小,接觸壓強很大,那么直接假設接觸點屈服,是合理的,此時接觸點壓強就等于屈服壓強,可知接觸面積與壓力成正比.
這里就解決了分子作用模型對摩擦力與摩擦面積和壓力預言與實驗結果的矛盾問題了.
滑動摩擦中存在粘著和滑動的交替作用
動摩擦過程中由于接觸點放熱等原因,會發生接觸點粘著(可以理解成焊接在一起),隨后又會因為摩擦力使得接觸點剪切形變,開始滑動,從而形成動摩擦的躍動現象
摩擦力由包括粘著與犁溝效應在內的多種效應疊加形成的
即使假設了接觸位置屈服,犁溝效應仍然是存在的,并且與兩個接觸面的強度有關.
實際上,通過這個模型,可以推導出兩個強度不同的金屬之間的摩擦因數,如果忽略犁溝效應,可以直接推導出摩擦系數等于剪切屈服壓強/受壓屈服壓強.
這個模型依然有問題,這樣推導出的摩擦系數與實驗結果符合的并不夠好。接下來的修正是對接觸部分的狀態做修正,接觸的位置并不都平行于摩擦力的,如果有傾斜(如機械耦合理論描述的一樣)那么上面的計算就不正確,修正之后結果與實驗吻合的更好一些.修正后的模型稱為修正粘著模型
到這里題主的問題就在很小的范圍內被解答了,對于以上所以簡化條件適用的情況下,同時考慮機械作用和分子粘著的修正粘著模型基本可以解釋在這種情況下摩擦力產生的原因.更多的模型需要一本很厚的專著才能介紹完,并且正如我最開始提到的,這個問題,某種程度上仍然是一個未解之謎。這真的是一件非常有趣的事情，人類的科技發展的如此迅速，然而到今天我們沒有這種隨處可見的力的一個良好模型。
PS：本人系物理系學生，摩擦非專業要求，歡迎專業人員打臉。
對嘯叫的解釋
在一些情況下（比如之前解釋的金屬摩擦），摩擦系數并不是同速度無關，而是關于速度的函數，并且是關于速度遞減的。為了分析這個問題，我們使用如下圖的模型
一個點勻速運動，通過一個帶阻尼的彈簧拉動一個水平面上的物塊，物塊與水平面間產生摩擦。首先我們來不嚴謹的定性的分析的一下這個模型：
顯然這個模型中，存在一個平衡點，即物塊運動速度為v1時，同時物塊受力為零。關鍵在于這個點是不是穩定平衡的。假設彈簧的長度比平衡位置短了一點，那么物塊的摩擦力就大于了拉力，物體開始減速，同時由于u(v)是減的，所以對應u會變大，從而摩擦力變的更大；反之，如果彈簧長了一點，那么物體速度開始加快，摩擦力開始減小。這兩種效應都使得物體在從偏離平衡位置的點回復時，能夠獲得能量，使這種偏離加大。如果這個效應足夠強，這么一個模型中的物體完全可能會發生自激振蕩。
嚴格的說明還是需要計算。為了簡化形式，在與地面相對速度為v1的參考系里處理，有運動方程：
再對泰拉展開，只取一階導數項有
通過平移參考系可以把其中的常數項u(v1)消去，所以最終得到一個常系數齊次二階常微分方程：
熟悉該方程的人很容易就會發現，當時，該方程的解是一個遞增的指數函數乘以一個正弦函數，也就是說是一個振幅增加的振動。或者你不熟悉這個方程，也沒有關系，你可以看出對應彈簧振子的阻尼項，如果這一項是負的，那么這個體系就從一個耗散結構變成了有能量輸入的結構。
也就是說，一個具有彈性的結構發生摩擦時，如果摩擦力隨速度增大而減小，那么摩擦力就能把能量供應到這個結構的震蕩中，滿足合適的條件的時候，這個體系就能發生自激振蕩，如果這個振蕩頻率剛好在可聽域里，就可能聽見嘯叫。
從工業應用和摩擦學的角度來講講，先看干接觸，上兩張圖
這就是一個工程表面的表面形貌，這個表面的粗糙度值是0.4um。一維的表面粗糙度是這樣：
可以看到真實表面有很多粗糙峰，當兩個接觸表面有相對滑動時（或滑動的趨勢時）粗糙峰間的相互嚙合、碰撞和彈塑性變形會產生摩擦力，這就是最早的機械嚙合理論。一般的工業應用中這個理論是適用的，降低表面粗糙度能夠有效減小摩擦力，降低疲勞磨損。例如風電齒輪，需要將表面粗糙度加工到0.2um左右才能夠滿足使用要求。但是一些情況下超精加工的表面摩擦系數反而劇增，可見機械嚙合作用不是產生摩擦力的唯一因素。
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以下這一部分主要參考摩擦學原理（溫詩鑄
黃平
著，第四版）
分子作用理論認為分子的活動性和分子力作用使得固體黏附在一起從而產生滑動阻力，分子間電荷力在滑動過程中產生的能力損耗是摩擦的起因。
粘著摩擦理論是上世紀三十年代，從機械-分子聯合作用的觀點發展起來的固體摩擦理論，同時也奠定了現代固體摩擦的理論基礎。主要有一下三個要點：
1.摩擦表面處于塑性接觸狀態
由于實際接觸面積只占表觀接觸面積的很小部分，
在載荷作用下接觸峰點處的應力達到受壓的屈服極限而產生塑性變形。此后，接觸點的應力不再改變，只能依靠擴大接觸面積來承受繼續增加的載荷。
2.滑動摩擦是粘著與滑動交替發生的躍動過程
由于接觸點的金屬處于塑性流動狀態，在摩擦中接觸點還可能產生瞬時高溫，因而使兩金屬產生粘著，粘著結點具有很強的粘著力。隨后在摩擦力作用下，粘著結點被剪切而產生滑動。這樣滑動摩擦就是粘著結點的形成和剪切交替發生的過程。
3.摩擦力是粘著效應和犁溝效應產生阻力的總和
摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，假設粗糙峰的形狀為半圓柱體。這樣接觸面積由兩部分組成：一為圓柱面，它是發生粘著效應的面積，滑動時發生剪切。另一為端面，這是犁溝效應作用的面積，滑動時硬峰推擠軟材料。
基于以上幾點結合黏著修正理論可以得到比較切合實際的摩擦系數。
此外，還有從能量分析的觀點出發的變形能摩擦理論，假設當切向變形能剛好超過法向變形能時出現相對滑動，即
（EN（1/2
彈性模量
正應力^2）=ES（1/2
剪切模量
切應力^2）
此時的摩擦系數為f=sqrt（彈性模量/剪切模量）
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再講講潤滑：
大部分工業零件都需要在潤滑條件下運行，所以潤滑狀態下的摩擦力受到更多的關注。潤滑劑和工程表面間的相互作用會產生摩擦力，潤滑劑內部也存在摩擦力，以下是牛頓流體流動模型：
由于流體的粘滯性，相互滑動的隔層流體間將產生剪應力即內摩擦力，潤滑膜作用在固體表面的摩擦力可以將與表面接觸的流體層中的剪應力沿整個潤滑膜范圍積分求得。
上面是全膜潤滑的簡化情況，由于真實表面粗糙峰的存在，并不是每個接觸位置都是潤滑膜，粗糙峰會刺破油膜從而形成峰峰接觸，于是就有混合潤滑狀態。對于彈性流體動力潤滑理論（Elasto-Hydrodynamic
Lubrication，EHL）已經有比較深入的研究，對混合潤滑也是在此基礎上考慮表面粗糙度等因素開展研究。
Stribeck曲線可以用來描述潤滑狀態
通常我們說摩擦力是因為物體表面不平整，在顯微鏡下能看到表面的起伏。
把這種起伏放大一點，可以認為牙刷的刷毛是牙刷的一個非常不平整的表面，把兩只牙刷刷毛對在一起互相拉扯，就能感受到明顯的阻力，這個力可以稱之為摩擦。但如果去觀察每一根刷毛，就可以認為這個阻力是刷毛之間彈力的合力。所以本質上摩擦力就是微觀狀態下的彈力。
如果把兩根刷毛接觸的地方再放大，一直放大到原子級別，會發現當兩根刷毛互相擠壓的時候兩根刷毛相鄰的原子也在被迫相互靠近，而根據同性電荷相斥以及泡利不相容原理等，這兩個相鄰的原子之間就會有很強的斥力，而這個力，屬于電磁力，這種力疊加起來，就成了刷毛的彈力，刷毛之間的彈力再疊加起來，就成了牙刷之間的摩擦力。
彈力本質
彈力的本質是分子之間的電磁相互作用。由物質分子運動論知道，組成物質的分子間存在著相互作用的引力與斥力。物體無形變時，內部分子處于正常位置，分子間的引力等于斥力，分子在各個方向上受力平衡。在彈性限度內，當物體受其他物體作用發生形變時，分子之間就要發生相對位移，分子間的引力就不等于斥力，分子的平衡狀態就遭到破壞，分子間就表現出引力或斥力相互作用，從而抗拒形變。隨著分子間距離增加或減?。ㄈ栽谖矬w彈性限度以內），相互作用的引力或斥力不斷增加，直到跟外力平衡，物體不再被拉伸或壓縮。撤去外力后，正是這種斥力或引力，使物體恢復原狀。
有關摩擦力的本質，直到今天還不十分清楚，但可以肯定與物質分子間的電磁相互作用有關。根據摩擦表面分子的粘附理論，認為物體接觸時，由于表面不可能極平整，實際的接觸面積比表觀的接觸面積小得多（前者往往只是后者的萬分之幾），因此在接觸點處有很大的應力，大大超過“彈性極限”，接觸處產生“塑性形變
”，許多接觸點“冷焊”在一起，即在接觸點處兩物體的分子間距已小到分子引力作用范圍內，于是兩個緊壓著的接觸點處產生了分子-原子性的表面粘附現象。當一物體在另一物體上被拉動時，摩擦阻力就伴隨著成千上萬的細小“焊點”的扯裂而產生。這一理論能較好地解釋金屬之間的摩擦，但不能很好解釋木材等的摩擦。
兩個物體接觸，接觸面越平滑摩擦力越小。在平玻璃上推木塊很容易，但推平玻璃就不容易了。這是說明摩擦力加大了嗎？為什么？
“兩個物體接觸，接觸面越平滑摩擦力越小”的觀點是否正確呢，首先探究一下摩擦力的本質：
1．凹凸嚙合說．是從15世紀至18世紀，科學家們提出的一種關于摩擦本質的理論，嚙合說認為摩擦是由于互相接觸的物體表面粗糙不平產生的．兩個物體接觸擠壓時，接觸面上很多凹凸部分就相互嚙合．如果一個物體沿接觸面滑動，兩個接觸面的凸起部分相碰撞，產生斷裂、摩損，就形成了對運動的阻礙．
2．粘附說．這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，摩擦會增大，可以用兩個物體的表面充分接觸時它們的分子引力將增大來解釋．
上世紀以來，隨著工業和技術的發展，對摩擦理論的研究進一步深入，到上世紀中期，誕生了新的摩擦粘附論。
新的摩擦粘附論認為，兩個互相接觸的表面，無論做得多么光滑，從原子尺度看還是粗糙的，有許多微小的凸起，把這樣的兩個表面放在一起，微凸起的頂部發生接觸，微凸起之外的部分接觸面間有10^-8m或更大的間隙．這樣，接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力．如果這個壓力很小，微凸起的頂部發生彈性形變；如果法向壓力較大，超過某一數值（每個凸起上約千分之幾牛頓），超過材料的彈性限度，微凸起的頂部便發生塑性形變，被壓成平頂，這時互相接觸的兩個物體之間距離變小到分子（原子）引力發生作用的范圍，于是，兩個緊壓著的接觸面上產生了原子性粘合。這時要使兩個彼比接觸的表面發生相對滑動，必須對其中的一個表面施加一個切向力，來克服分子（原子）間的引力，剪斷實際接觸區生成的接點，這就產生了摩擦。
在現代摩擦理論中，還加進了靜電作用。光滑表面摩擦過程中可能帶上異號電荷，它們之間的靜電作用，也是摩擦力的一個原因?！　?br/>綜上所述，摩擦現象的機理是復雜的，是必須在分子尺度內才能加以說明的。由于分子力的電磁本性，摩擦力說到底也是由于電磁相互作用引起的。
上述理論，已經否定了“物體表面越光滑，摩擦力越小”的說法。在非常平滑的物體表面之間，摩擦力是存在的。老師在教學中經常使用“表面光滑”，其含義是指無摩擦或摩擦因數等于零的表面，即沒有摩擦力。這是教學中的一種約定，而并非真的是說兩個表面光滑。在平玻璃板上推木塊很容易，而在平玻璃板上推與木塊相同質量的玻璃時就不容易了，這說明摩擦力增大了。

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