關(guān)于摩擦機理研究的兩種學(xué)說

歐陽艷蓉　方潔　張珊

摘要：摩擦現(xiàn)象隨處可見，但人們對摩擦機理很少進行研究，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，再次強調(diào)了關(guān)于摩擦機理研究的兩種學(xué)說，即凹凸說和粘合說，并從能量損失的角度對兩種學(xué)說加以了解釋。

關(guān)鍵詞：摩擦；凹凸說；粘合說；能量損失

摩擦現(xiàn)象隨處可見，人們對摩擦本質(zhì)的認識經(jīng)歷了漫長而曲折的過程。經(jīng)過五百多年的爭論，形成了兩種學(xué)說：凹凸說和粘合說。

一、凹凸說的宏觀機理

對摩擦的科學(xué)研究始于15世紀意大利的文藝復(fù)興時期，作為當(dāng)時有代表性的人物是雷納德·達·芬奇。他對表面光滑和粗糙的東西所產(chǎn)生的摩擦作了比較，提出愈是光滑，摩擦程度愈低的見解，這一想法是在其后17、18世紀的法國發(fā)展起來的摩擦研究熱中，由庫侖提出摩擦的凹凸說來完成的。凹凸說認為：摩擦力是由表面凹凸不平的物體互相接觸而引起的。物體表面無論經(jīng)過哪種加工，都或大或小地留下凹凸，正如劍橋大學(xué)的帕伊博士比喻的：固體表面的接觸，猶如把瑞士連同馬特霍恩峰和埃加峰一起翻過來，用來蓋到喜馬拉雅山脈的上面一樣。正是由于這兩面互相咬合，要想使之滑動，必須順著其凸部反復(fù)地抬起來，或者把凸部破壞掉，這便是產(chǎn)生阻礙相對運動摩擦力的基本原理。在相當(dāng)長的歷史年代里，凹凸說幾乎沒有受到任何人的懷疑。

然而，就在庫侖的凹凸說完成之前50年，就有一種新的設(shè)想在英國悄然萌芽了。17世紀未，牛頓力學(xué)已形成了出色的體系，絕大多數(shù)科學(xué)家站在力學(xué)的機械論立場上支持凹凸說。而英國物理學(xué)家德薩古利埃卻置法國出現(xiàn)的凹凸說潮流于不顧，他提出摩擦力產(chǎn)生的機理在于摩擦面上的分子力交錯所致的見解。這個大膽的設(shè)想從正面反對凹凸說。它認為：表面愈光滑，摩擦面愈是互相接近，表面的分子力影響理當(dāng)有所增加，這樣摩擦亦增大，這是最初創(chuàng)立的德薩古利埃的分子說，由于當(dāng)時加工技術(shù)的原因，分子說一直沒有得到實驗的證實，在爭論中，仍是凹凸說占上風(fēng)，成為正統(tǒng)的解釋。

二、粘合說的微觀機理

對分子說開始給予強有力的支持，是進入20世紀以后的事情。尤因首先說明因摩擦引起的能量損失，并不在于凹凸高低，而是因固體表面分子引力場的相互干涉所致。哈迪利用20世紀出現(xiàn)的研磨技術(shù)的進步，在實驗中發(fā)現(xiàn)：把兩個物體表面磨光滑，它們之間的摩擦力是可以減小，但是當(dāng)表面磨得很光滑時，摩擦力反而有所增加，若將兩個磨得很光滑的金屬面對合起來，它們能“粘”在一起，這正證實了分子說的見解：兩表面的分子進入了彼此的分子間的引力圈內(nèi)，兩者間產(chǎn)生強烈的粘合，并作為摩擦而顯示之。哈迪的實驗給分子說提供了有力的依據(jù)，“分子說”也由此發(fā)展至“粘合說”，并獲得廣泛的承認。

三、兩種學(xué)說的比較

解釋摩擦的本質(zhì)有凹凸說和粘合說，其中一方憑凹凸的形狀，另一方是只憑材料物性的機械性質(zhì)便決定摩擦系數(shù)。前者認為摩擦與材料的性質(zhì)無關(guān)，后者卻主張摩擦表面的凹凸和加工狀態(tài)對于摩擦沒有影響。具體探索一下利用兩說而得的摩擦系數(shù)的計算值，發(fā)現(xiàn)兩說的結(jié)果完全相同。可見，由這兩種說法都能證明摩擦系數(shù)與載荷大小無關(guān)，也與外觀的接觸面無關(guān)，只是作為摩擦的主因，兩說所采納的因素實在是太不相容了。兩說分別很好地適用于兩種特定情況，都有存在的必要。

關(guān)于摩擦中的能量損失問題，我們知道除了靜摩擦以外，所有的摩擦將毫無例外地產(chǎn)生熱效應(yīng)。因此，在有摩擦的運動中，機械能不再守恒，一部分機械能將由于摩擦而轉(zhuǎn)化成熱能。在利用凹凸說和粘合說來解釋摩擦功時，對于凹凸說中物體由于運動而造成摩擦力做功，不管功值為正還是為負，一般人們還是比較好理解的。但是關(guān)于用粘合說來解釋摩擦功又是怎樣的呢？由于分子間的作用力，使兩個表面強烈粘合，只要分子間力的合力限于鉛垂方向，不管它有多強，也不能說明往橫側(cè)滑動時需要力和功。分子說也好，粘合說也罷，為了使摩擦功成為必要，在摩擦方向上必須出現(xiàn)力才行。霍爾姆和托姆森在分子、原子的引力場上，從它們的相對運動中出現(xiàn)的力當(dāng)中去尋求這個力，即如圖所示，將B面固定，讓A滑動于它的表面。設(shè)A、B為金屬，在其表面，金屬原子a1、a2、…，b1、b2、…，整整齊齊排成格子狀。現(xiàn)設(shè)a1對著b1，從它們保持平衡的位置上，隨著A的運動，向箭頭方向移動，則在其位移尚小的期間，在a1、 b1間有彈性的力發(fā)生作用以抵制運動。但a1一過b1、b2的中間點，則a1、 b2的引力變成大于a1、 b1的引力，過不久b1便從a1的引力中釋放出來回到原來的位置。可以設(shè)想b1把在這期間具有的彈性能量變成振動能量，變成熱而失去。兩面的各原子多次反復(fù)進行這種動作時的能量損失，稱為摩擦功。這樣從粘合說的角度對摩擦功也成功地加以了解釋。可見物體之間摩擦的本質(zhì)利用凹凸說和粘合說都能解釋能量的損失。

四、結(jié)語

凹凸說和粘合說誰也說服不了誰，兩種學(xué)說在互相矛盾、互相斗爭中不斷自我發(fā)展和完善。這兩種學(xué)說對摩擦系數(shù)與載荷大小無關(guān)的結(jié)論及對熱能損失的解釋有相同之處，但摩擦機理大不相同。筆者認為，兩學(xué)說都揭示了摩擦過程中特定條件下的部分規(guī)律，但也有局限性。因為在摩擦過程中，摩擦效應(yīng)（由摩擦系數(shù)反映出），在粗糙相同的情況下與材料性質(zhì)有關(guān)，在材料性質(zhì)相同的情況下與摩擦表面粗糙度（即凹凸和加工狀態(tài)）有關(guān)。

就目前情況看，兩學(xué)說分別忽略了材料性質(zhì)和粗糙度這兩項相當(dāng)重要的因素而二項結(jié)果相同，恐怕不是必然現(xiàn)象。如果把摩擦中聲能、光能等因素均考慮進去，能否和現(xiàn)在的結(jié)果相同呢？這還有待深入研究。