那股無處不在的力

謝文欣

世界上有一個神奇的東西，外形可忽略、體積可為零，真空高壓不傷毫厘，電光火石難動分毫。它可堅如磐石，起千鈞之力；可細(xì)如發(fā)絲，盤繞指之柔。必要的時候它可以帶電、可以突破引力、甚至可以光速行進(jìn)、穿越磁場！它“折磨”了幾代莘莘學(xué)子，無數(shù)英雄“慘死”在它的手下，它就是物理學(xué)中的小滑塊。這個過于強(qiáng)大的小模塊，有時竟然還能擺脫那股無處不在的力——摩擦力！

眾所周知，“摩擦力”是經(jīng)典力學(xué)的一個名詞。如果兩個互相接觸的物體有彈力，當(dāng)它們要發(fā)生或有趨勢發(fā)生相對運(yùn)動時，就會在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對運(yùn)動的力，這種力就是摩擦力。摩擦力無處不在，大到航行的戰(zhàn)艦，小到飛行的蒼蠅，都時刻與摩擦力打著交道，如果沒有它，你甚至撿不起掉在地上的肥皂。雖然摩擦力在我們的生活中起著不可替代的作用，但是你真的了解它嗎？

早在1508年，達(dá)芬奇就利用石頭和木頭開始了對固體摩擦的實驗研究，測量了水平和斜面上物體間的摩擦力，以及半圓形槽與滾筒間的摩擦力。他還進(jìn)行了表面接觸面積大小對摩擦阻力影響的實驗研究，得出了等重物體之間的摩擦力與接觸面積無關(guān)的重要結(jié)論。

達(dá)芬奇與摩擦力

達(dá)芬奇首先引入了摩擦系數(shù)的概念，他將該系數(shù)定義為摩擦力和垂直于兩物體接觸面的壓力的比值。由于當(dāng)時他使用的實驗材料非常有限，大多為硬木或鐵與硬木的組合，這導(dǎo)致他誤認(rèn)為所有物體的摩擦阻力都相當(dāng)于其自身重量的四分之一。

達(dá)芬奇還研究了接觸面有潤滑油和其他介質(zhì)時對摩擦的影響，得出了“所有東西，不管它如何薄，當(dāng)它放入兩個互相摩擦的物體之間時，摩擦都會減少”的科學(xué)預(yù)言。

流體間的摩擦

當(dāng)液體或氣體沿一個固體表面流動時，其流速會受到摩擦力的影響而減緩。而固體表面的構(gòu)造則幾乎不會影響摩擦力的大小，所以影響流速的主要因素就是流體的橫截面面積，因此在日常生活中使用的運(yùn)輸管道的直徑都不會太大。當(dāng)然，除了流體與固體表面之間存在摩擦之外，流體內(nèi)部不同層次間也有內(nèi)部摩擦。所以流體與固體表面的距離與其流速是成正比的。

在工程技術(shù)中，人們使用流體摩擦來減小機(jī)械配件之間的磨損，潤滑劑和氣墊導(dǎo)軌的工作原理就是利用流體摩擦來代替固體摩擦。假如相互摩擦的兩個表面被一層流體完全隔離，那么它們將會產(chǎn)生液體摩擦。假如液體的隔離不夠徹底，那么也可能產(chǎn)生混合摩擦，不過混合摩擦的磨損依然較固體摩擦更小。

負(fù)摩擦系數(shù)現(xiàn)象

2012年，微納力學(xué)中心和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所共同合作，在《自然材料》上發(fā)表了一篇題為《在納米尺度上石墨表面由于粘著引起的負(fù)摩擦系數(shù)》的論文。物理學(xué)家們首次在實驗中觀測到，并從理論上解釋了納米尺度下存在負(fù)摩擦系數(shù)的新奇現(xiàn)象。

從500多年前達(dá)芬奇手稿中對摩擦現(xiàn)象的第一次定量描述，到如今被廣泛運(yùn)用的庫侖摩擦定律，人們普遍認(rèn)為摩擦力總是隨著物體間接觸壓力的增大而增加的。然而，這次實驗研究發(fā)現(xiàn)，在納米尺度上物體間的摩擦現(xiàn)象并非遵循宏觀尺度上的規(guī)律，有時候結(jié)果恰恰相反。研究團(tuán)隊采用原子力顯微鏡測量了一種表面經(jīng)過化學(xué)處理而變得很“粘”的石墨材料的摩擦情景，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)探針與石墨表面的摩擦力會隨著探針壓力的減小而增大，也就是說其等效的摩擦系數(shù)為負(fù)！

摩擦系數(shù)可以大于1

在高中科學(xué)課本中有一個測定摩擦力的實驗。實驗中，有一個擺放在傾角為θ的斜面上的、質(zhì)量為m的物體在勻速運(yùn)動，它所受到的摩擦力等于重力在沿斜面向下方向的分力，由此可知mgsinθ0=μmgcosθ0，進(jìn)而推得，μ=tanθ。

一般情況下，人們拖拉物體比背著它走省力。假設(shè)重物勻速運(yùn)動，因F=μmg，而F

在《伯克利物理學(xué)教程》第一卷《力學(xué)》中也記載道：銅與銅的靜摩擦系數(shù)是1.6，橡皮與固體的靜摩擦系數(shù)是1.0～4.0 。

由此可知，摩擦系數(shù)可以等于或大于1。

神秘的摩擦力

摩擦力究竟從何而來？摩擦力的本質(zhì)到底是什么？關(guān)于這兩個問題，一直眾說紛紜，總結(jié)一下主要有以下三種學(xué)說。

凹凸嚙合說 15世紀(jì)至18世紀(jì)的科學(xué)家們提出，摩擦力的本質(zhì)是因相互接觸的物體表面粗糙不平造成的。當(dāng)兩個物體相互接觸擠壓時，接觸面上很多凹凸部分會互相嚙合。如果一個物體沿接觸面滑動，兩個接觸面的凸起部分就會相互碰撞，產(chǎn)生斷裂、磨損，由此形成對運(yùn)動的阻礙，即摩擦力。

粘附說 最早由英國學(xué)者德薩左利厄斯于1734年提出。他認(rèn)為，當(dāng)兩個表面異常光滑的金屬充分接觸時，它們的分子引力將增大，摩擦力由此產(chǎn)生。

摩擦粘附論 20世紀(jì)中期產(chǎn)生的摩擦粘附論認(rèn)為，兩個相互接觸的表面，無論多么光滑，從原子尺度看，還是非常粗糙的，有許多微小的凸起。如果把這樣的兩個表面放在一起，微凸起的部分就會發(fā)生接觸，而微凸起之外的部分接觸面會產(chǎn)生更大的間隙。這時，要使兩個彼此接觸的表面發(fā)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(qū)生成的接點，由此產(chǎn)生摩擦力。

不過，關(guān)于這股無處不在的力的實質(zhì)，目前尚無定論，科學(xué)家們?nèi)栽谟懻撝小?/p>

相關(guān)鏈接

庫侖摩擦定律

庫侖摩擦第一定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正壓力成正比，跟外表接觸面積無關(guān)。

庫侖摩擦第二定律：滑動摩擦力和滑動速度的快慢無關(guān)。

庫侖摩擦第三定律：最大靜摩擦大于滑動摩擦力。