物理必修1第三章 相互作用3 摩擦力教学设计

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摩擦力产生的原因是什么呢？早期的研究者已经注意到人们所研究的表面都是凹凸不平的粗糙面，即使是高度抛光的表面上，也存在着无数的微凸体。当两个表面接触时，这些微凸体互相交嵌，要想使它们发生相对滑动，必须使一个表面的微凸体沿着另一个表面的微凸体上升做功，或者使微凸体发生弯折、断裂，由此产生了摩擦力。这就是摩擦的凹凸说，它主要是在17世纪到18世纪不断发展完成的。
但是，在1734年，英国学者德萨古利厄斯（1683－1744），对于摩擦的机理提出了另一种截然不同的观点。他在考察了凹凸说的理论后指出：当两个表面制造得比较光滑时，它们理应较易滑动，然而实际上金属或其他物体的平整表面，可以抛得很光而使摩擦增大。他认为，这种现象只能从两个物体的表面趋近于接触时它们分子的吸引力将越来越大来解释。这就是最早提出的摩擦的粘附说。
20世纪以来，工业和技术的发展，对摩擦理论提出了越来越高的要求。到20世纪中期，诞生了新的摩擦粘附理论。我们来考察两个互相接触的金属表面，不论它们做得多么光滑，从原子尺度看还是粗糙的。把这样两个表面放在一起，只在微凸体隆起的顶部发生接触，在表面的其余部分间会有8～10 μm或更大的间隙。原子力作用在几个原子直径的微小距离上，因此，这些间隙实际上把两个表面的其余部分完全隔开，使它们之间不发生作用。所以，接触面上的法向压力完全由表面上互相接触的微凸体顶部来承受。当接触面上的法向压力很小时，顶部将发生弹性形变；但是，只要法向压力超过某一数值（每个微凸体上约千分之几牛），金属的弹性极限就被超过，因而发生塑性流动，即永久形变，微凸体的顶部发生塑性屈服，直到实际接触面积增大到足以承受所加的法向压力。所以实际接触面积A只是表观接触面积的一小部分，它的大小取决于法向压力W和金属的屈服压强p（p=W／A，A=W／p），与表面粗糙度的关系不大，而且与表观接触面积的大小没有关系。在两个表面间相互接触的微凸体的顶部，一个表面上的原子与另一个表面上的原子非常接近。因此，它们处在原子吸引力很强的范围之内，形成接点，粘附在一起。如果我们要使两个表面发生滑动，必须对其中一个表面施加一个切向力来克服原子间的引力，才能剪断实际接触区生成的接点。这个切向力就是摩擦力。如果我们所加的力小于这个力，接点将发生形变而不破坏，因而不会出现滑动。如果实际接触面积为A，剪断金属单位面积的接点所需的力为s，那么剪切接点所需的力就等于摩擦力F，即F=As。因为A与接触面间的法向压力成正比而与物体的大小无关，所以很明显，如果给定的任一对表面的s为常量，那么摩擦力F也将与法向压力成正比，而与物体的大小无关。这就是两条基本的摩擦定律。摩擦力受接点强度s的影响很大。任何一种沾染物例如金属氧化物或润滑脂膜，都会削弱接点的粘附作用而使接点强度减弱。放在空气中的表面，通常覆盖有氧化薄膜、氧气吸附层和水蒸气层，当两个表面在空气中接触时，一定会把这些表面膜夹在二者之间，从而削弱表面的粘附。表面膜可用某些方法除去。方法之一是把物体放在高真空（10-4帕）中加热，使表面膜分离或分解。在这种条件下，由于表面非常洁净，两个互相接触的表面会粘附得非常牢固。因此，在实际上发生明显滑动之前会出现“接点增长”，接点面积将不断增大，直到整个几何接触面积成为巨大的接触点。这样，摩擦因数与原来的法向压力没有多大关系，在大多数金属之间，摩擦因数μ可达到50或更大。
可以说，有关摩擦起因的争论还在进行着，凹凸说、分子说和粘附说都持之有理，言之有据，究竟怎样圆满地解释摩擦的起因，还一直是一个很活跃的研究课题。