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1、摩擦的機(jī)理 摩擦機(jī)理的本質(zhì)是能量損耗的機(jī)理，因而問題歸結(jié)為接觸面怎樣造成能量的損耗。 物體表面雖然經(jīng)過加工，但還是凹凸不平的，即使進(jìn)行過精加工（如研磨），表面凹凸相關(guān)仍有10－4 mm的數(shù)量級。表面上獨(dú)立的凸出單體，即使固體表面很干凈，事實(shí)上也是由各種物質(zhì)的薄膜覆蓋著的（最外面是普通臟污的膜，里面是吸附分子膜，再里面是金屬氧化膜，最里面是加工變質(zhì)膜）。 圖中普通臟污物質(zhì)包括手指的油污或灰塵等，吸附分子膜中來自大氣中的吸附層；金屬氧化膜是金屬表面與空氣中的氧化合而形成的；加工變質(zhì)層是指因車削或研磨而使金屬的晶粒變得細(xì)微，通常成為比基體更硬的薄層。 再來看一下材料的性能。在材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上對金

2、屬桿做拉伸試驗(yàn)，可看出開始施加外力時，桿件發(fā)生拉伸變形。隨著外力的增大，形變也增大，只要為超過材料的彈性限度，去掉外力后桿件仍能恢復(fù)原來的形狀。超過彈性限度，桿件就發(fā)生塑性形變，出現(xiàn)流動現(xiàn)象，這時即使取掉外力，桿件也不能恢復(fù)原狀，產(chǎn)生流動的最小拉力，叫屈服極限，這是一般材料的強(qiáng)度條件?，F(xiàn)在在上述概念的基礎(chǔ)上探究干摩擦的機(jī)理。 以金屬對金屬無潤滑表面間的相對滑動為例。由于表面的凹凸不平，兩個面接觸時，就像把兩大山脈倒扣在一起一樣，實(shí)際的接觸為點(diǎn)接觸，這也是一般情況下摩擦力與表觀接觸面積無關(guān)的原因，當(dāng)加載荷時，兩面之間產(chǎn)生正壓力，由于實(shí)際接觸面積極小，接觸點(diǎn)處的壓強(qiáng)大大超過材料的屈服極限，因而在

3、接觸點(diǎn)處了生塑性流動，使實(shí)際接觸面積迅速增大，直到能夠支承所加載荷為止。在這些微凸體接觸處發(fā)生塑性流動，實(shí)際上使兩面在這些局部區(qū)域發(fā)生了焊合。當(dāng)施加一切向力時，只有這些焊合點(diǎn)被剪切斷裂，表面間才會發(fā)生相對滑動，所以這時的摩擦力是界面處的剪切力，它等于焊合點(diǎn)處的平均剪切強(qiáng)度與實(shí)際接觸面積的乘積。這個摩擦力是界面處產(chǎn)生摩擦力的黏附分量。值得注意的是，由于焊合點(diǎn)處的剪切強(qiáng)度有時大于兩種金屬中較軟金屬的剪切強(qiáng)度，所以剪切斷裂有可能發(fā)生在較軟金屬內(nèi)部，而不是在焊合界面處。 從微觀來看，將兩種干凈的金屬表面壓合時，一個表面上的原子趨近于另一個表面上的原子，直至如同金屬體內(nèi)的原子那樣接近為止。正是這種原子

4、間、分子間的引力形成接觸表面處的黏合、附著現(xiàn)象。 因而要使兩表面發(fā)生相對滑動，就必須克服這些分子原子引力做功，從而消耗能量。 既然摩擦力的產(chǎn)生是由于金屬間的這種黏附現(xiàn)象，那么為什么將壓在一起的兩塊金屬眚拉開時，并不需要很大的力即沒有發(fā)現(xiàn)這種黏附力呢？這是因?yàn)橐话愕谋砻娑急晃廴?，兩金屬接觸時，污染層膜不會完全破壞，只是在某些微凸體處由于壓強(qiáng)過大破壞了污染膜，使兩金屬直接接觸，黏附就發(fā)生在這個區(qū)域。當(dāng)兩塊金屬垂直于接觸面拉開時，道德要卸載，這些區(qū)域變形又會恢復(fù)一部分，致使焊合處發(fā)生斷裂。早在17世紀(jì)中葉，英國物理學(xué)家德薩古利埃就曾從鉛球上切下兩塊，然后將兩個切面邊轉(zhuǎn)捻邊壓合，結(jié)果這兩塊就黏合在

5、一起了，其黏附力意外的強(qiáng)，用了十多公斤的力才將其掰離，這正是他提出分子說黏合機(jī)理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。由于壓合時，兩光滑表面較多的接觸區(qū)域能進(jìn)入表面的分子引力范圍，而粗糙表面接觸點(diǎn)很少，且摩擦力的黏附分量是與實(shí)際接觸面積成正比的，由此不難理解前者的摩擦力恒大于后者。在真空中，能獲得較干凈的金屬表面，這種壓合表面的黏附力就很可觀了，因而目前的空間研究工作中，提出了在接近真空條件下有關(guān)材料摩擦問題研究的新課題。 摩擦力不僅有黏附分量，還有變形分量。兩種金屬接觸，表面發(fā)生相對滑動時，較硬金屬的微凸體就在較軟金屬的表面上犁出一道溝槽，在切出的溝槽前材料還被壓皺和積聚，這種現(xiàn)象叫犁削。它使表面變形，因而也要消耗

6、能量。由此而產(chǎn)生的摩擦力叫變形分量，通常它較黏附分量小。這就是目前大家接受的摩擦機(jī)理，從宏觀上來說是焊合、剪切犁削理論，從微觀說是分子引力理論。 至于彈性體與剛體接觸面間的摩擦力的黏附分量和變形分量的產(chǎn)生與上述金屬之間是不同的。簡單地說，彈性體一般是壓皺在剛體表面微凸體周圍，呈現(xiàn)剛體表面的輪廓。當(dāng)壓緊的彈性體與剛體表面發(fā)生相對滑動時，彈性體的分子鏈像彈性繩一樣地能被拉伸，黏附分量的產(chǎn)生是由于接觸面處彈性體表面層中分離的分子鏈與剛體表面的分子連接，由此形成局部連接點(diǎn)。動的作用促使這些鏈在新鏈形成前拉伸、破裂和松弛，這樣彈性體分子有力地跳躍一個分子間距，到達(dá)它的新的平衡位置。這種表面處分子連接點(diǎn)

7、的形成和破壞，就是黏附起因的機(jī)理，它是一種表面效應(yīng)。變形分量的產(chǎn)生是由于彈性體變形的延遲恢復(fù)造成的一種遲滯現(xiàn)象。因彈性體以一定速度在剛體表面滑動時，彈性體會積聚在剛體表面上微凸體背向的一側(cè)，引起壓力的不對稱分布。壓力的水平分量就產(chǎn)生一個凈的遲滯力，此即摩擦力的變形分量（遲滯分量），它阻止滑動。 由此不難看出，經(jīng)典摩擦定律中摩擦力與滑動速度無關(guān)這一點(diǎn)并不正確，由于在低速和中速滑動時，摩擦主要是由接觸區(qū)的局部黏附和剪切引起的，因而摩擦因數(shù)隨滑動速度的變化顯著。但高速滑動時，由于金屬表面受強(qiáng)烈的摩擦熱，它改變了表面層的狀態(tài)，出現(xiàn)了大規(guī)模的熔化，使之成了一種黏性潤滑劑，致使摩擦由無潤滑的干摩擦變成了

8、有潤滑的情況，因而摩擦因數(shù)明顯減小。 關(guān)于摩擦機(jī)理，1961年曾有人提出過靜電理論，認(rèn)為兩個摩擦金屬表面間的黏—滑現(xiàn)象，可用發(fā)生了電子的有效流動，這種流動在界面上引起異性的電荷聚集，通過靜電吸引作用把兩個表面結(jié)合在一起。這一理論，應(yīng)含有經(jīng)過很長一段時間后，電子會從界面上跑掉，從而使摩擦因數(shù)降低的意思。但并未觀察到這樣的情況，因而目前焊合—剪切理論在客觀的水平上提出了最滿意的物理解釋。而對于彈性體，則最新的分子吸引理論今天看來是正確的。 摩擦現(xiàn)象的本質(zhì)是什么？ 從15世紀(jì)至18世紀(jì)，科學(xué)家們提出了一種解釋摩擦本質(zhì)的凹凸嚙合說，這個理論認(rèn)為摩擦是由于互相接觸的物體表面粗糙不平產(chǎn)生的。兩個

9、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(chǎn)生斷裂、磨損，就形成了對運(yùn)動的阻礙。 繼凹凸嚙合說之后，英國學(xué)者德薩左利厄斯于1734年提出了粘附說。他認(rèn)為產(chǎn)生摩擦的真正原因在于接觸面間的分子力作用。表面越光滑，接觸越緊密，分子力的影響就越大。按照這種觀點(diǎn)，經(jīng)過充分研磨的玻璃表面間的摩擦力將增大，與凹凸嚙合說的推論相反。后來的實(shí)驗(yàn)證明粘附說是合理的。 20世紀(jì)以來，隨著工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，對摩擦理論的研究進(jìn)一步深入，到20世紀(jì)中期，誕生了新的摩擦粘附論。新的摩擦粘附論認(rèn)為，兩個相互接觸的表面，無論做得多么光滑，從原子尺度看還是粗糙的，有

10、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(fā)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(fā)生彈性形變；如果法向壓力較大，超過某一數(shù)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(fā)生塑性形變，被壓成平頂，如圖3—36所示。這時，相互接觸的兩個物體之間距離變小，小到分子（原子）引力發(fā)生作用的范圍，于是，兩個緊壓著的接觸面上產(chǎn)生了原子性粘合。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(shí)際接觸區(qū)生成的接點(diǎn)，這就產(chǎn)生

11、了摩擦。 圖3—36 F F A B v 在現(xiàn)代摩擦理論中，還加進(jìn)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，也是摩擦力產(chǎn)生的一個原因。 綜上所述，摩擦現(xiàn)象的機(jī)理是復(fù)雜的，是必須在分子尺度范圍內(nèi)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電磁相互作用引起的。 上述理論已經(jīng)否定了“物體表面越光滑，摩擦力越小”的說法。在非常光滑的物體表面之間，摩擦力是存在的。我們經(jīng)常使用的“表面光滑”的含意與此不同，我們說的“表面光滑”，是指無摩擦或摩擦因數(shù)等于0的表面，即沒有摩擦力。這是教學(xué)上的一種約定。 關(guān)于滾動摩擦 FN G F 圖3—37

12、滾動摩擦實(shí)際上是一種阻礙滾動的力矩。當(dāng)一個物體在粗糙平面上滾動時，如果不再受動力或動力矩作用，它的運(yùn)動將逐漸變慢，直到最后靜止。這一過程，滾動的物體除了受到重力、彈力外，一般在接觸處還受到靜摩擦力，如圖3—37所示。從平動效果分析，在豎直方向，重力和彈力構(gòu)成一對平衡力；在水平方向，靜摩擦力是一個阻力。從轉(zhuǎn)動效果分析，重力對于質(zhì)心（質(zhì)量中心，通常與重心重合）不產(chǎn)生力矩。靜摩擦力對質(zhì)心產(chǎn)生的力矩與轉(zhuǎn)動方向一致；彈力對質(zhì)心的力矩大于靜摩擦力的力矩，且阻礙轉(zhuǎn)動。這是由于物體和平面接觸處的形變引起的。因?yàn)槲矬w受重力作用而陷入支撐面，同時本身也受壓縮而變形，從而在向前滾動時，接觸處前方的支撐面隆起，這使支撐面作用于物體的彈力的作用點(diǎn)從最低點(diǎn)向前移。正是這個彈力，相對于物體的質(zhì)心產(chǎn)生一個阻礙滾動的力矩，這就是滾動摩擦。 所謂滾動摩擦比滑動摩擦小，我們不能理解為滾動摩擦力矩比滑動摩擦力小，因?yàn)榱馗κ菬o法比較大小的。這只是指在其他條件相同的情況下，克服滾動摩擦力矩使物體運(yùn)動需要的力，比克服滑動摩擦力所需要的力要小得多，兩者之比約為~。