为什么最大静摩擦大于滑动摩擦?

为什么最大静摩擦大于滑动摩擦?
为什么最大静摩擦大于滑动摩擦?

为什么最大静摩擦大于滑动摩擦?
摩擦力究竟是怎样产生的呢?15～18世纪,科学家们提出了一种解释摩擦本质的凹凸啮合说.这个理论认为摩擦是由于互相接触的物体表面粗糙不平产生的.两个物体接触挤压时,接触面上很多凹凸部分就相互啮合.如果一个物体沿接触面滑动,两个接触面的凸起部分相碰撞,产生断裂、摩损,就形成了对运动的阻碍.继凹凸啮合说之后,英国学者德萨左利厄斯于1734年提出了粘附说.他认为产生摩擦的真正原因在于接触面间的分子力作用.表面越光滑,接触越紧密,分子力的影响就越大,因而摩擦力也就越大.按照这种观点,经过充分研磨的玻璃表面间的摩擦力将增大,与凹凸啮合说的推论相反.后来的实验证明粘附说是合理的.20世纪以来,随着工业和技术的发展,对摩擦理论的研究进一步深入,到20世纪中期,诞生了新的摩擦粘附论.新的摩擦粘附论认为,两个互相接触的表面,无论做得多么光滑,从原子尺度看还是粗糙的,有许多微小的凸起.把这样的两个表面放在一起,微凸起的顶部发生接触,微凸起之外的部分接触面间有10-8 m或更大的间隙.这样,接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力.如果这个压力很小,微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大,超过某一数值(每个凸起上约千分之几牛顿),超过材料的弹性限度,微凸起的顶部便发生塑性形变,被压成平顶(如图所示),这时互相接触的两个物体之间距离变小,小到分子(原子)引力发生作用的范围,于是,两个紧压着的接触面上产生了原子性粘合.这时要使两个彼此接触的表面发生相对滑动,必须对其中的一个表面施加一个切向力,来克服原子(分子)间的引力,剪断实际接触区生成的接点,这就产生了摩擦.为什么对于两个给定表面,滑动摩擦实际上与接触表面面积的大小无关呢?新的摩擦粘附论认为,这是因为实际接触面积是属于原子尺度的,它只占总的几何接触面积的一个极微小的部分,而摩擦力的出现是由于在原子接触的这些微小区域内原子之间的相互作用力.原子接触面积占几何接触面积的比例,正比于法向力除以几何接触面积.因此,当法向力增大一倍,原子接触面积也增大一倍,摩擦力便增大一倍,这就是摩擦力正比于正压力的原因.但是,如果几何接触面积增加一倍,而法向力保持不变,则原子接触面积占几何接触面积的比例减小一半,即原子接触面积的实际面积不变,因而摩擦力也不变.在现代摩擦理论中,还加进了静电作用.光滑表面摩擦过程中可能带上异号电荷,它们之间的静电作用,也是摩擦力的一个原因.但笔者认为这虽然是一种吸引力,但应该归纳为静电力,不宜纳入摩擦力范围.至于电磁本质论是一种更本质的提法（分子力的本性是电磁作用）,由于作用机理比较抽象,用分子力可以形象解释,所以不再引入.综上所述,摩擦现象的机理是复杂的,是必须在分子尺度内才能加以说明的.由于分子力的电磁本性,摩擦力说到底也是由电磁相互作用引起的.上述理论,已经否定了“物体表面越光滑,摩擦力越小”的说法.在非常光滑的物体表面之间,摩擦力是存在的.我们在教学上经常使用的“表面光滑”的含意与此不同.教学中所说的“表面光滑”,是指无摩擦或摩擦因数等于0的表面,即没有摩擦力.这是教学上的一种约定.实验是检验真理的标准.但是许多现象非常奇特：地面太光滑容易滑倒（摩擦力小）,充分研磨的玻璃表面间（表面很光滑）摩擦力却增大.可见只用一种学说不能全面得到的解释.所以笔者认为摩擦是凹凸啮合与摩擦粘附的共同作用.在接触面比较粗糙时凹凸啮合说能较合理地说明问题,因为表面凹凸啮合效果明显,分子间主要作用以相互斥力为主,尤其是在不同材料之间的作用情况时.在接触面较光滑平整时粘附论能更好地说明问题,因为此时凹凸啮合效果不明显,分子间主要作用以相互引力为主,尤其是在同种材料之间的作用情况时.笔者认为两者是不可分割统一体,同时在起作用.这种情况与光的本性比较类似.在这个思想指导下可以较好的来说明前面的几个问题.滑动摩擦力与与最大静摩擦力关系.在达到最大静摩擦力时,从凹凸啮合说角度来说：此时互相接触已经达到临界状态,再大一点接触突起一部分因受力过大会产生断裂.这势必会引起其他部分的断裂（雪崩效应）,从而运动起来成为滑动摩擦力.当滑动起来后凹凸啮合说认为互相接触再也达不到临界状态,即滑动摩擦力要小于最大静摩擦力.从粘附论角度来说：达到最大静摩擦力时,分子间的总体吸引力最大.即分子间相互吸引的分子对数多,平均相互作用力比较大.相互作用力因为相互作用数量很多情况很复杂,为了使描述问题简单仅研究具有代表性一对相互作用分子.略微离开最大静摩擦力位置后,分子引力减小会分子间距离变大,从而使分子间引力更变小.由于大量分子对同时出现了这样情况,所以宏观体现出摩擦力将急速变小