再谈滑动摩擦力

摘 要：摩擦是一种非常复杂的物理现象，学生对于摩擦力的认识大多来源于生活的直观感受和课本的有限内容，受到认知条件的限制，对摩擦力的认识难免会产生偏差和不足，这对学生的长期发展难免产生负面影响。就滑动摩擦力的大小与接触面积的关系和影响动摩擦因数的相关因素提出几点认识以供讨论。

关键词：滑动摩擦力；接触面积；动摩擦因数；影响因素

目前对接触摩擦问题的计算做一些简化，固体接触面间干摩擦阻尼的描述一般采用常摩擦因数法的理想库仑干摩擦模型。中学物理教材中滑动摩擦力的基本公式为：F=μFN（μ是动摩擦因数，FN为所加的压力）。

一、滑动摩擦力与接触面积的大小无关

粘滞说认为两个互相接触的表面上接触的微小凸起，如果承受了较大的反向压力，微小凸起的顶部便发生弹塑性形变，两个物体之间距离变小到分子引力发生作用的范围。这时要使两个彼此接触的表面发生相对滑动，必须施加一个切向力来克服分子间的引力，这就产生了摩擦。

滑动摩擦力的特点之一：大小正压力成正比，与物体间接触面积的大小无关。应该说明通常这个“接触面积”指的是名义接触面积，（实际接触面积远小于名义接触面积，在名义面积尺寸的

1/100 000至1/10的范围内变化）。滑动摩擦力的大小与实际接触面积的大小有关吗？如果实际接触面积增加，发生分子力的分子数在增加，滑动摩擦力也相应增加，因此滑动摩擦力与实际接触面积有关。但是对于一定的物体，实际接触面积又与表面上的正压力成正比，因此可以证明滑动摩擦力与正压力成正比，实际接触面积是证明过程的中间量。

二、影响动摩擦因数的因素

因为接触面的变形，动摩擦因数是指接触面上的平均动摩擦因数，是由基本摩擦力之和与正压力之和的比值或单位（面积）平均摩擦力与平均压力之比来确定的，即μ=∑F/∑FN=F均/FN均。

1.材料性质对动摩擦因数的影响

动摩擦因素随接触材料性质的不同而不同，分子或原子结构相同或相近的两种材料互溶性大，互溶性较大的材料易发生粘着，动摩擦因数增大；分子或原子结构差别大则互溶性小，互溶性较小的材料不易发生粘着，动摩擦因数一般都比较小。此外材料的刚度和弹性对动摩擦因数也有影响。

2.压力大小对动摩擦因数的影响

压力的大小直接影响摩擦材料的接触状态，在不同的接触状态下，摩擦材料所表现出来的摩擦特性也就不一样。一般情况下，动摩擦因数将随压力的增加而增大，当压力越过一极大值，随着压力的继续增大而动摩擦因数趋于稳定或减小。事实上，工程上钢材与聚四氟乙烯等塑料材料接触相对滑动时，很多情况下，动摩擦因数是随正压力的增大而减小的。

3.滑动速度对动摩擦因数的影响

通过对基于摩擦界面热力耦合过程的滑动摩擦系数计算模型计算分析表明：在一般情况下，动摩擦因数随滑动速度增大而增大，越过一极大值后，又随滑动速度的增大而减小。滑动速度对动摩擦因数的影响，主要是它引起温度的变化所至。滑动速度引起的发热和温度的变化，改变了摩擦表面层的性质和接触状况，因而动摩擦因数必将随之变化。对温度不敏感的材料（如石墨），动摩擦因数几乎与滑动速度无关。

4.温度的变化使摩擦表面材料的性质发生改变，从而影响动摩擦因数

动摩擦因数随摩擦工作条件的不同而变化，具体情况需用试验方法测定。

（1）对于大多数金属摩擦材料而言，其动摩擦因数均随温度的升高而降低，极少数（如金-金）的动摩擦因数均随温度的升高而升高。

（2）对于散热性比较差的材料，特别是由热塑性工程塑料组成的摩擦材料，开始动摩擦因数将随着温度的升高而增大，当表面温度达到一定值，材料表面将被熔化。所以，一般工程塑料都只能在一定的温度范围内使用，超过这个温度范围，摩擦材料将丧失其工作能力。

（3）对于金属与复合材料组成的摩擦组合，其动摩擦因数在一定的范围内受温度的影响较小，但是当温度超过某一极限值时，动摩擦因数将随温度的升高而显著下降。也就是说，动摩擦因数在实际的应用中，并不是一个常量，而是一个应变函数，参变量可能是正压力、速度、温度等等。

三、动摩擦因数不一定小于“1”

人教版必修1物理课本，给出的两种材料间的动摩擦因数都小于1，一般的参考书所举的例子也是小于1的，有的学生就据此认为材料间的动摩擦因数总小于1。其实，滑动摩擦因数大于1的情况是很多的，实验测得橡皮与金属间的动摩擦因数1

四、并非接触面越光滑摩擦力就越小

比较粗糙的接触面，摩擦力较大，这应该是凸凹啮合说中接触面的凸起部分互相啮合、碰撞，产生断裂、磨损为主要原因，将表面打磨平整，摩擦力就会减小。但打磨得相当平整光洁（所谓“超光洁”）的二表面间的摩擦力却又会大大增加，出现了“冷焊”现象，这应该是接触面的表层原子相当接近，即粘附说中分子间引力发生作用的结果。

五、剂的作用

在固体之间涂上一层剂，就把干摩擦变成了湿摩擦，会使摩擦力显著减小。例如，穿着冰鞋在冰面上溜冰，脚下的摩擦力会变得很小，这是因为冰刀压在冰面上的时候，会使冰面上少量的冰在瞬间化成水，把冰刀和冰之间的干摩擦变成了湿摩擦。你如果穿上冰鞋在水磨石地面上溜滑，即使地面像冰面那样平坦、光滑，冰刀依然滑动不起来。

参考文献：

许嘉璐，阎金铎.中国中学教学百科全书[M].沈阳出版社，1990-07.

（作者单位 江苏省赣榆县城南高级中学）