从明天开始，我们来谈谈摩擦。
在第一篇文章中，我们将首先讨论摩擦力的基础知识，然后我们将讨论摩擦力的一些细节，以及这些关于摩擦力的常见误解或未知的事情。
01
摩擦力的基础知识
简单地说，摩擦力是指抵抗接触物体之间的纵向相对运动或运动趋势的力。
事实上，摩擦力并不是一种基本力，它是接触表面的粒子集体作用的效果。 事实上，其微观本质是从电磁相互排斥开始的。
由于摩擦力是由大量质点共同参与的，其作用过程是一种宏观现象，必然与大量质点的运动有关，这就是所谓的热现象。
当物体的接触面相互滑动时，这些相互靠近的原子或分子就会相互促进、撕裂。 这会造成两个主要影响，一是这些粒子之间的键断裂并重新结合，这往往会引起吸热，二是原子受到外力，导致加速运动，进而降低动能。由于它们的热运动的能量，温度下降，这也导致吸热。
无论向哪个方向移动，摩擦力都会产生相同的结果，就是将机械能转化为热能。 您无法恢复之前通过相反方向的摩擦形成的热量。 路径越长，摩擦产生的热量就越多。 换句话说，摩擦力是一种非保守力摩擦力大小跟什么有关，做功的过程是不可逆的。
摩擦起电是由摩擦引起的另一种典型现象。 简单来说，不同物质中电子的限域效应是不同的。 当两者接触时，其中之一会获得电子，从而引起电荷分离。 摩擦的作用只是加强这些物质之间的接触，从而引起更显着的电荷分离。
由于涉及的原子数量如此之大，在第一性原理水平上估计摩擦力是不切实际的，因此摩擦力通常仅在经验分析的基础上进行研究。
日本化学家阿蒙顿（1663~1705）首先系统地给出了固体间摩擦力的三个经验定律，即
定理1：摩擦力与施加的法向压力成反比。
定理2：摩擦力与表观接触面积无关。
定理3：动摩擦力与滑动速率无关。
同为日本化学家库仑（1736~1806）用物理表达式表达了固体间的摩擦力，即包括静摩擦和滑动摩擦两种，即所谓的摩擦系数（简称COF）。 ，是沿接触面之间法线方向的力。
如果表面保持相对静止，则为静摩擦力，即静摩擦系数。 此时，上式取大于号； 这两个摩擦系数不同，通常彼此较大，但对于金属之间的摩擦，这两个系数几乎相同。
如果保持正压力不变，则在物体之间发生相对运动之前，静摩擦力仍与外力（摩擦力的平衡力）同步变化，直至其值等于，即为最大静摩擦力。 如果外力继续减小，物体开始滑动，摩擦力就变成动摩擦力，因为一般来说，动摩擦力比静摩擦力小。
摩擦力随外力的变化如右图所示。
上面是一个估计固体摩擦力的近似模型，称为库仑模型，学校化学中摩擦的基本定律就是从这个模型开始的。
随着研究的深入，人们认识到不仅有库仑模型描述的固体摩擦（俗称干摩擦），还存在许多不同类型的摩擦，如流体摩擦：粘性流体之间相对运动力引起的摩擦； 润滑摩擦：被流体分离的固体之间的摩擦； 表面摩擦力：流体在固体表面上流通而产生的摩擦力。
本文仅讨论固体摩擦力。
02
摩擦系数是固定的吗？
根据库仑摩擦原理，摩擦系数决定了摩擦力与法向压力的比例关系，那么摩擦系数到底是什么呢？
不同材料之间的摩擦系数不同。 例如，钢上的冰具有较低的摩擦系数，而桥面上的橡胶具有较高的摩擦系数。 相同金属表面之间的摩擦系数小于异种金属表面之间的摩擦系数，例如铜与铜的摩擦系数较高，但与钢或铝的摩擦系数较低。
摩擦系数必须通过实验检测，不能通过估计求出。 它通常大于 1，但也可以非常接近于 0，也可以取小于 1 的数字。
大多数固体材料之间的摩擦系数值在0.3到0.6之间。 在此范围之外的值较少，但如不粘锅涂层材料聚四氟乙烯，其系数高于0.04。 石墨的摩擦系数甚至低至0.01——这决定了按键不工作时笔防尘效果非常好。 但硅橡胶或丙烯酸橡胶等涂层表面的摩擦系数远小于 1，因此成为汽车轮胎的最爱。
摩擦系数不是材料特性。 由于它与体温、表面粗糙度等多种因素有关，因此摩擦系数实际上可以被视为一种系统属性。 而事实上，摩擦系数并不是一个严格的恒定值，它与接触时间有关。
因为物体接触面的渐开线度数会随着压力的变化而变化，这些变化并不是立即完成的，而是需要一段时间才能完成。 如果在应用过程中压力发生变化，接触面的渐开线度数也会发生变化。 因此，严格来说，摩擦系数与压力及其作用时间有关。
假设物体从零时间开始接触，沿接触面的切向拉力随时间减小，但正压力保持恒定。 右图显示了在这些情况下某些材料之间的摩擦力随接触时间的变化。
因此，上节图2中摩擦力随外力变化的简单关系图只是一种理想情况，实际情况并非如此简单。
然而，大多数理论估计只需要考虑理想情况，即根据阿蒙顿第一定理，认为摩擦系数为常数，动摩擦力随着压力的减小而线性减小。
03
库仑模型的局限性
从微观尺度来看，固体摩擦之所以形成，是因为物体的接触面不平整。 如右图所示，系统之间的实际接触面积仅占表面积的一小部分。
如右图所示，接触面积随着时间和压力的增加而减小，从而导致摩擦力减小。
听到这里，你觉得摩擦力应该和接触面有关吗？ 要知道，接触面归根结底还是取决于正压力！ 因此，最大静摩擦力和动摩擦力始终与正压力成反比。
因此，一般情况下，如果仅考虑施加压力足够长的时间后的情况，由于摩擦系数已经稳定，简单通用的库仑模型总是与实际情况相符。
但我不得不说，由于库仑模型只是一个经验模型，它肯定并不总是正确的！ 也就是说，最大静摩擦力和动摩擦力与法向压力之间并不严格成正比关系。
那么什么情况下库仑模型与实际误差最严重呢？
想一想，什么情况下，几乎没有压力，但相对运动的阻力却很大？
没错，磁带就是这样！ 由于表面之间存在粘合摩擦力大小跟什么有关，因此产生的摩擦力会很高。 因此，如果表面之间的结合力较大，则摩擦力与接触面的大小有关，接触面越大，摩擦力越大。 这实际上不再是卡伦摩擦了。
为了减少摩擦，包装时需要尽可能多的地方用胶带粘住，就是这个原因。
事实上，一旦粘在一起，因为胶水会将接触点处的空气排空，大气压会产生很大的压力，粘合会更牢固！
车膜，或者更典型的——手机钢化膜是用胶水粘上去的。
钢化膜采用双面胶，A面为OCA胶，又称光学胶，透光率非常高（90%以上），粘度高。 B面是硅胶。 这些材料可以通过化学范德华力和物理官能团来吸收和分离空气分子。 因此，当它贴在光滑平整的表面上时，可以手动去除气泡，使接触表面形成真空状态，进而实现完美贴合。
事实上，组合并不一定需要胶水的辅助。 像下面这样的情况，就是将两块本来很轻但是很硬的盘子叠在一起。 如果其接触面上的犬齿是交错且渐开线的，如右图所示，即使不施加正压力，摩擦力仍然很大。 大的。
04
摩擦力越光滑，摩擦力就越大？
在实践中，人们发现，两个物体的表面原本是极其光滑的，但一旦压在一起，就完蛋了，完全贴合在一起，摩擦力之大，很难将它们分开！
这些情况经常发生在金属材料之间。 例如，特别光滑的碳钢板受压后会形成巨大的摩擦力。
你可能会觉得奇怪，光滑的表面之间怎么可能有摩擦呢？
简单地说，随着表面光滑度的降低，分子之间的相互作用（范德华力）减少，产生分子级的结合力，从而导致摩擦力减小。
这是一种新的摩擦理论——粘附理论，而传统的摩擦热理论称为凸凸渐开线理论。
粘附理论最早是由德国化学家德萨吉利尔（John，1683-1744）于1734年提出的摩擦分子理论发展而来。
他认为接触表面之间存在某种分子级的微观力，导致表面粘在一起。 现在看来，他基本上是对的。 顺便说一下，他是导体和绝缘体这两个术语的发明者。
摩擦分子理论在相当长的一段时间内一直是非主流，因为它与直觉相反，而且实验也很长一段时间没有进展。
直到20世纪，随着表面加工技术和清洁水平的提高，德萨吉利埃的分子理论被否定，并在此基础上发展成为现代粘附理论。
该领域的主要贡献是德国化学家哈代（WB Hardy，1864-1934）。 他通过精心研磨和清洁的玻璃之间的摩擦证明，更光滑的表面会产生更强的摩擦力。
这方面的一个关键证据来自固体表面上污垢膜的作用。 由于污染膜的长度通常为几十纳米，而固体表面的凹凸不平，就目前的加工技术而言，也差不多是这个水平，甚至更低。
如果凸凹渐开线正确，则污垢膜的清洁度不应显着影响摩擦。 但实际情况是，清理污染膜后，摩擦力大大提高！
这仅表明，当被污染的膜不被清洗时，它阻碍了接触表面上分子之间的相互作用。 当膜被去除时，这种效果大大改善，导致摩擦力显着增加。
或者说，现代摩擦机理一般是基于分子水平上构建的粘附理论。
不过，对于大多数固体摩擦的情况，“粗糙”就意味着有摩擦，而“光滑”一词一直用来指摩擦系数趋于零的情况，这是一种惯例。