那股無處不在的力

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；可細如發絲，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、穿越磁場！它“折磨”了幾代莘莘學子，無數英雄“慘死”在它的手下，它就是物理學中的小滑塊。這個過于強大的小模塊，有時竟然還能擺脫那股無處不在的力——摩擦力！

衆所周知，“摩擦力”是經典力學的一個名詞。如果兩個互相接觸的物體有彈力，當它們要發生或有趨勢發生相對運動時，就會在接觸面上産生一種阻礙相對運動的力，這種力就是摩擦力。摩擦力無處不在，大到航行的戰艦，

都時刻與摩擦力打着交道，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着不可替代的作用，但是你真的了解它嗎？

早在1508年，達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的重要結論。

達芬奇與摩擦力

達芬奇首先引入了摩擦系數的概念，他将該系數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，這導緻他誤認為所有物體的摩擦阻力都相當于其自身重量的四分之一。

達芬奇還研究了接觸面有潤滑油和其他介質時對摩擦的影響，得出了“所有東西，不管它如何薄，當它放入兩個互相摩擦的物體之間時，摩擦都會減少”的科學預言。

流體間的摩擦

當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輸管道的直徑都不會太大。當然，除了流體與固體表面之間存在摩擦之外，流體内部不同層次間也有内部摩擦。所以流體與固體表面的距離與其流速是成正比的。

在工程技術中，人們使用流體摩擦來減小機械配件之間的磨損，潤滑劑和氣墊導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，那麼它們将會産生液體摩擦。假如液體的隔離不夠徹底，那麼也可能産生混合摩擦，不過混合摩擦的磨損依然較固體摩擦更小。

負摩擦系數現象

2012年，微納力學中心和美國國家标準技術研究所共同合作，在《自然材料》上發表了一篇題為《在納米尺度上石墨表面由于粘着引起的負摩擦系數》的論文。物理學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摩擦系數的新奇現象。

從500多年前達芬奇手稿中對摩擦現象的第一次定量描述，到如今被廣泛運用的庫侖摩擦定律，人們普遍認為摩擦力總是随着物體間接觸壓力的增大而增加的。然而，這次實驗研究發現，在納米尺度上物體間的摩擦現象并非遵循宏觀尺度上的規律，有時候結果恰恰相反。研究團隊采用原子力顯微鏡測量了一種表面經過化學處理而變得很“粘”的石墨材料的摩擦情景，他們驚奇地發現探針與石墨表面的摩擦力會随着探針壓力的減小而增大，也就是說其等效的摩擦系數為負！

摩擦系數可以大于1

在高中科學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、質量為m的物體在勻速運動，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，進而推得，μ=tanθ。

一般情況下，人們拖拉物體比背着它走省力。假設重物勻速運動，因F=μmg，而F<mg，則μ<1。所以有人據此覺得μ<1（摩擦系數小于1）。其實，由于正切函數在第Ⅰ象限的值域是（0，∞），所以μ不一定小于1，甚至可以取到正無窮。至于μ到底是多少，則由材料性質、界面狀況等其他因素而定。

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

由此可知，摩擦系數可以等于或大于1。

神秘的摩擦力

摩擦力究竟從何而來？摩擦力的本質到底是什麼？關于這兩個問題，一直衆說紛纭，總結一下主要有以下三種學說。

凹凸齧合說 15世紀至18世紀的科學家們提出，摩擦力的本質是因相互接觸的物體表面粗糙不平造成的。當兩個物體相互接觸擠壓時，接觸面上很多凹凸部分會互相齧合。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，産生斷裂、磨損，由此形成對運動的阻礙，即摩擦力。

粘附說 最早由英國學者德薩左利厄斯于1734年提出。他認為，當兩個表面異常光滑的金屬充分接觸時，它們的分子引力将增大，摩擦力由此産生。

摩擦粘附論 20世紀中期産生的摩擦粘附論認為，兩個相互接觸的表面，無論多麼光滑，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生接觸，而微凸起之外的部分接觸面會産生更大的間隙。這時，要使兩個彼此接觸的表面發生相對滑動，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”實際接觸區生成的接點，由此産生摩擦力。

不過，關于這股無處不在的力的實質，目前尚無定論，科學家們仍在讨論中。

相關鍊接

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。

庫侖摩擦第二定律：滑動摩擦力和滑動速度的快慢無關。

庫侖摩擦第三定律：最大靜摩擦大于滑動摩擦力。

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