滑动摩擦力的产生以及受力分析（力学中概念问题）

早在15世纪欧洲文艺复兴时代就已开始，人们对于固体接触面之间的摩擦的实验研究。其代表人物是大利的达.芬奇。

直到18世纪末法国物理学家库仑通过大量实验建立了摩擦定律(即f=μN)。而在此之前一个世纪,不少人从纯机械论的角度解释摩擦,提出了“凹凸说”，库仑本人也大体上赞同这种学说。这种学说认为：由于固体表面总是存在着凹凸，两个表面上的凹凸部分主要是以互相啮合的状态相接触，如下图所示，

凹凸说

当两表面相对滑动时，必须顺着其凸部反复抬起来，或者把凸部破坏掉，于是便产生了摩擦。依照这种解释，似乎表面越光滑,凹凸越稀疏，峰部越低，则摩擦就应越小。

但是凹凸说从一开始便遇到了挑战。

英国物理学家德萨古利埃(1683~1744)置凹凸说的潮流于不顾，提出了分子说。这种学说认为产生摩擦的真正原因在于摩擦面的分子力的作用，按照这种观点，表面越光滑,表面更紧密接近，分子力的影响就越大，因而摩擦力也就越大。德萨古利埃预言：“只要把平面无止境地研磨得很光滑,摩擦迟早是会增大的”。可惜当时的技术不能提供研磨得那样光滑的平面，因而未得到证明。

经过一百多年，到二十世纪，随着表面加工和洁净技术的进步，英国科学家哈迪用实验证明了德萨古利埃的预言，从而使摩擦的分子说获得了生命力，并在此基础上:形成了关于摩擦机理的“现代粘合说”。

粘合说认为二接触面的凹凸部分主要是彼此在凸部上以互压在一起的状态相接触，如下图所示。

粘合说

二物体实际接触部分只为外观面积的几百分之一到几万分之一。因此即使表观的压力不大，如为1牛顿/厘米*2，在二接触的凸部却可达数百至数万牛顿/厘米*2的极高压力，这样的高压会使凸部发生塑性形变，表面上存在的极薄的污染膜(脏物和氧化膜等)将被破坏、被剥离，从而发生二固体基质本身的粘合。这种粘合是分子-原子力的表现。在这种情况下，当二面相对滑动时，粘合面被剪切而断裂，剪切力就是宏观表现的摩擦力。

证明粘合说是摩擦的合理机制的实验，在本世纪才由哈迪等人作出。哈迪用经过充分研磨和洗净的玻璃表面作摩擦实验表明，充分研磨了的表面摩擦力大，而且，摩擦的痕迹也扩大。这不仅否定了凹凸说,而且证明了摩擦的能量损失,不仅是由于分子力的不连续交叠，而且还由于分子力导致表面的破坏。关于表面污染对摩擦的影响,也是证明粘合说的有力证据。未经严格处理的固体表面实际上覆盖着多层污染膜，从里向外有氧化膜、吸附分子膜和普通脏污的膜，它们的厚度不过几百埃(1埃

=10*-8厘米),而固体表面的凹凸，即使以目前的技术加工来说，表面凹凸的高差也平均在10*-5毫米上下，因此，这些污染膜对凹凸是没有什么影响的,尤如绵延山脉上的树林,不改变山脉的形状一样。根据凹凸说，表面污染膜不能影响摩檫；而基于分子的粘合说,污染膜将阻隔固体分子间的作用,减小摩擦。因此，如何得到干净的无污染的固体表面,就是用实验决定二学说雌雄的关键。

在本世纪内此关键实验得以解决，结果证明了污染膜要减小摩擦，干净的固体表面之间摩擦系数增大.于是现在人们对摩擦的机理，普遍地采纳基于分子间作用力的“粘合说"。

尽管这样，在现代关于摩擦的理论中，凹凸说并没有被废弃。它在粘合说中得到了新的意义。这就是因粘合而导致的摩擦现象的解释中，表面的塑性变形有很大的作用，而这塑性变形，又直接依赖于凹凸的大小。除现代粘合说外，在极光滑的表面摩擦机理中，还加进了静电作用，这就是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。

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。

根据上述机理和实验，已经否定了“表面越光滑,摩擦力越小”这样的论断。那么我们应怎样对待通常在教材和习题中出现的“光滑表面”呢?常用的“粗糙表面”和“光滑表面”是历史的产物，意思是：“粗糙”就是指有摩擦、“光滑”指无摩擦或摩擦系数等于零的表面,是一种理想模型。

因而应该把常用的“光滑表面”作为“不计摩擦的表面”的同义语，而不是指完全无凹凸的、像连续的几何面一样的固体表面。