关于摩擦机理研究的两种学说

摘要：摩擦现象随处可见，但人们对摩擦机理很少进行研究，笔者在前人研究的基础上，再次强调了关于摩擦机理研究的两种学说，即凹凸说和粘合说，并从能量损失的角度对两种学说加以了解释。

关键词：摩擦；凹凸说；粘合说；能量损失

摩擦现象随处可见，人们对摩擦本质的认识经历了漫长而曲折的过程。经过五百多年的争论，形成了两种学说：凹凸说和粘合说。

一、凹凸说的宏观机理

对摩擦的科学研究始于15世纪意大利的文艺复兴时期，作为当时有代表性的人物是雷纳德·达·芬奇。他对表面光滑和粗糙的东西所产生的摩擦作了比较，提出愈是光滑，摩擦程度愈低的见解，这一想法是在其后17、18世纪的法国发展起来的摩擦研究热中，由库仑提出摩擦的凹凸说来完成的。凹凸说认为：摩擦力是由表面凹凸不平的物体互相接触而引起的。物体表面无论经过哪种加工，都或大或小地留下凹凸，正如剑桥大学的帕伊博士比喻的：固体表面的接触，犹如把瑞士连同马特霍恩峰和埃加峰一起翻过来，用来盖到喜马拉雅山脉的上面一样。正是由于这两面互相咬合，要想使之滑动，必须顺着其凸部反复地抬起来，或者把凸部破坏掉，这便是产生阻碍相对运动摩擦力的基本原理。在相当长的历史年代里，凹凸说几乎没有受到任何人的怀疑。

然而，就在库仑的凹凸说完成之前50年，就有一种新的设想在英国悄然萌芽了。17世纪未，牛顿力学已形成了出色的体系，绝大多数科学家站在力学的机械论立场上支持凹凸说。而英国物理学家德萨古利埃却置法国出现的凹凸说潮流于不顾，他提出摩擦力产生的机理在于摩擦面上的分子力交错所致的见解。这个大胆的设想从正面反对凹凸说。它认为：表面愈光滑，摩擦面愈是互相接近，表面的分子力影响理当有所增加，这样摩擦亦增大，这是最初创立的德萨古利埃的分子说，由于当时加工技术的原因，分子说一直没有得到实验的证实，在争论中，仍是凹凸说占上风，成为正统的解释。

二、粘合说的微观机理

对分子说开始给予强有力的支持，是进入20世纪以后的事情。尤因首先说明因摩擦引起的能量损失，并不在于凹凸高低，而是因固体表面分子引力场的相互干涉所致。哈迪利用20世纪出现的研磨技术的进步，在实验中发现：把两个物体表面磨光滑，它们之间的摩擦力是可以减小，但是当表面磨得很光滑时，摩擦力反而有所增加，若将两个磨得很光滑的金属面对合起来，它们能“粘”在一起，这正证实了分子说的见解：两表面的分子进入了彼此的分子间的引力圈内，两者间产生强烈的粘合，并作为摩擦而显示之。哈迪的实验给分子说提供了有力的依据，“分子说”也由此发展至“粘合说”，并获得广泛的承认。

三、两种学说的比较

解释摩擦的本质有凹凸说和粘合说，其中一方凭凹凸的形状，另一方是只凭材料物性的机械性质便决定摩擦系数。前者认为摩擦与材料的性质无关，后者却主张摩擦表面的凹凸和加工状态对于摩擦没有影响。具体探索一下利用两说而得的摩擦系数的计算值，发现两说的结果完全相同。可见，由这两种说法都能证明摩擦系数与载荷大小无关，也与外观的接触面无关，只是作为摩擦的主因，两说所采纳的因素实在是太不相容了。两说分别很好地适用于两种特定情况，都有存在的必要。

关于摩擦中的能量损失问题，我们知道除了静摩擦以外，所有的摩擦将毫无例外地产生热效应。因此，在有摩擦的运动中，机械能不再守恒，一部分机械能将由于摩擦而转化成热能。在利用凹凸说和粘合说来解释摩擦功时，对于凹凸说中物体由于运动而造成摩擦力做功，不管功值为正还是为负，一般人们还是比较好理解的。但是关于用粘合说来解释摩擦功又是怎样的呢？由于分子间的作用力，使两个表面强烈粘合，只要分子间力的合力限于铅垂方向，不管它有多强，也不能说明往横侧滑动时需要力和功。分子说也好，粘合说也罢，为了使摩擦功成为必要，在摩擦方向上必须出现力才行。霍尔姆和托姆森在分子、原子的引力场上，从它们的相对运动中出现的力当中去寻求这个力，即如图所示，将B面固定，让A滑动于它的表面。设A、B为金属，在其表面，金属原子a1、a2、…，b1、b2、…，整整齐齐排成格子状。现设a1对着b1，从它们保持平衡的位置上，随着A的运动，向箭头方向移动，则在其位移尚小的期间，在a1、 b1間有弹性的力发生作用以抵制运动。但a1一过b1、b2的中间点，则a1、 b2的引力变成大于a1、 b1的引力，过不久b1便从a1的引力中释放出来回到原来的位置。可以设想b1把在这期间具有的弹性能量变成振动能量，变成热而失去。两面的各原子多次反复进行这种动作时的能量损失，称为摩擦功。这样从粘合说的角度对摩擦功也成功地加以了解释。可见物体之间摩擦的本质利用凹凸说和粘合说都能解释能量的损失。

四、结语

凹凸说和粘合说谁也说服不了谁，两种学说在互相矛盾、互相斗争中不断自我发展和完善。这两种学说对摩擦系数与载荷大小无关的结论及对热能损失的解释有相同之处，但摩擦机理大不相同。笔者认为，两学说都揭示了摩擦过程中特定条件下的部分规律，但也有局限性。因为在摩擦过程中，摩擦效应（由摩擦系数反映出），在粗糙相同的情况下与材料性质有关，在材料性质相同的情况下与摩擦表面粗糙度（即凹凸和加工状态）有关。

就目前情况看，两学说分别忽略了材料性质和粗糙度这两项相当重要的因素而二项结果相同，恐怕不是必然现象。如果把摩擦中声能、光能等因素均考虑进去，能否和现在的结果相同呢？这还有待深入研究。