摩擦力及摩擦力做功评析

摘要：本文从摩擦产生的微观机制对摩擦力的产生原因进行了剖析，明确了摩擦力产生的条件并对摩擦力做功的特点进行了讨论。

关键词：摩擦力、做功

一、摩擦力

摩擦力是力学范围内三类力中最复杂、分析难度最大的一种力，许多教科书都没有讨论其特性及内在机制。摩擦力属于接触力，其特性取决于相互作用的两物体的状态而不是单个物体。相互作用的两物体运动状态的不同使得摩擦力具有不同的表现规律，故而有静摩擦力、相对滑动摩擦力以及滚动摩擦力之分。宏观上，静摩擦比起滑动摩擦要复杂，计算的方法也不同：后者产生于物体间已经发生相对运动的条件下，而前者则是仅在物体间发生相对运动趋势时便已产生；后者可简单由公式直接计算，前者则无法直接计算而是利用力的平衡条件进行间接计算。在实例应用中前者的隐蔽性和难度都更大一些。滑动摩擦力的起因，从内在机制分析是物体在相互挤压时，少数凸出点的相互接触在起主要作用，并且所有这些接触面积加起来只是物体表观接触面积的几百分之一到几万分之一。因此，在物体凸出的接触点上的压强可以达到非常大，以至于产生塑性形变，致使各凸出点被压成平顶。这时在接触点处，两分子间的距离已经小到分子引力的作用范围，于是两个紧压着的接触面上就产生了分子性的粘合。与此同时接触面还伴随着弹性形变，在静摩擦情况下其静摩擦力应该等于接触点的弹性剪切力。如果要使两物体沿接触面发生相对滑动，就必将拉断粘合部，于是便产生了滑动摩擦。费曼对摩擦力产生机制曾有这样一段描述：从原子情况来看，相互接触的两个表面是不平整的。它们有许多接触点，在这些接触点上，原子好像粘结在一起。于是当我们拉动一个正在滑动的物体时，原子啪的一下分开，随即发生振动，所发生的情况大致如此。在过去，把这种摩擦的机理想象得非常简单，表面只不过是凹凸不平的形状，摩擦起因于抬高滑动体越过突起部分。但是这样是不可能的，因为在这种过程中不会有能量损失，而实际上是要消耗动力的，动力耗损的机理是当滑动体撞击突起部分时，突起部分便发生形变，接着在两个物体中产生波和原子运动———产生热。

二、摩擦力做功的特点及分析

关于摩擦力做功，人们常会出现以下几种模糊认识：滑动摩擦力和滚动摩擦力总是阻碍物体的运动，摩擦力使系统总机械能减少，故摩擦力称为耗散力，所以滑动摩擦力和滚动摩擦力一定做负功；而静摩擦力一定不做“功”；摩擦力所做功一定全部消耗在产生热量的过程中；系统内一对摩擦力是作用与反作用关系，所以系统内一对摩擦力所做的总功一定为零。本文分析研究了静摩擦力和滑动摩擦力对物体做功的情况及能量转化的情况：

(1)静摩擦力做功的特点：静摩擦力可以对物体做正功、负功、或者不做功。一对相互作用的静摩擦力对系统所做的功的代数和为零，即静摩擦力做功的过程中，只有机械能的转移，而没有机械能跟其它形式能量的转化。

(2)滑动摩擦力做功的特点：滑动摩擦力可以对物体做正功、负功、或者不做功。如果一对相互作用的滑动摩擦力对系统所做的功的代数和为负值，那么滑动摩擦力做功的过程中，不仅有机械能的转移过程，还有机械能转化为内能的过程。转化为内能的那部分能量等于摩擦力和两物体间相对位移的乘积的大小。视角的不同对摩擦力做功的认识也会有所不同，如发生同一摩擦事件中，以单个摩擦力为视点在不同的参照系下摩擦力可以作正功，作负功或不做功，如站在相对运动(即物体互为参照系)的角度摩擦力将绝对做负功；但如果以一对摩擦力为视点其做功则与参照系无关，且总功恒小于零。在忽略的摩擦影响条件下，显然系统动能的损失全部来自一对摩擦力做负功的贡献。摩擦力是耗散力属非保守力，摩擦力做功不仅与其初始和终止位置有关且与路径有关。因为一对静摩擦力的总功为零，故静摩擦力做功不能使系统的机械能向非机械能转化，故耗散力指的是动摩擦力。

摩擦力做功与摩擦生热的因果关系我们可以这样分析：由于一个力做功的量度与参照系的选择有关，所以一个摩擦力做功的多少也与参照系的选择有关。因此,对同一物体客观的在某滑动摩擦力作用下的运动过程，一个参照系中滑动摩擦力的做功可以为零而在另一参照系却可以不为零，静摩擦力在一定的参照系中做功也可以不为零。而摩擦所生热量的多少是不会随参照系的不同选择而发生变化的，在静摩擦作用下是不会生热的。因此作为外力的滑动摩擦力的做功与生热是没有因果关系的，而滑动摩擦生热的原因就是滑动摩擦本身。实际上，由于滑动摩擦力对系统的作用是可以产生多种能量效应的：不仅可以使系统动能增加(或减少)，可以使系统内能增加，还可以产生声能，电磁能，化学能等等。摩擦力做功只是滑动摩擦的多种能量效应之一，是使系统动能增加(或减少)的量度。显然，不能将滑动摩擦的一种能量效应的量度方式作为其他的能量效应产生的原因。

三、结论

摩擦力机制非常复杂，从内在机制分析，少数凸出点的相互接触是导致摩擦的主要原因，主要表现为接触面上产生了分子或原子性的粘合和接触部弹性形变的剪切应力，而静摩擦力应该就等于接触点的弹性剪切力。静摩擦力和滑动摩擦力两者都可以对物体做正功、负功或者不做功。