從明天開始，我們來談談摩擦。
在第一篇文章中，我們會先講摩擦的基本知識，然后我們會講摩擦的一些細節，以及這些經常被誤解或不為人知的關于摩擦的事情。
01
摩擦的基礎知識
簡單地說，摩擦力是指接觸物體之間抵抗縱向相對運動或運動趨勢的力。
事實上，摩擦力并不是一種基本力，它是粒子在接觸面上的集體作用的結果。 其實，它的微觀本質是從電磁互斥開始的。
由于摩擦力是由大量粒子共同參與的，其作用過程是宏觀現象，必然與大量粒子的運動有關，也就是所謂的熱現象。
當物體的接觸面相互滑動時，這些相互靠近的原子或分子會相互促進和撕裂。 這造成兩個主要影響，一個是這些粒子之間的鍵被破壞并重新結合，這往往會導致吸熱，另一個是原子受到外力作用，導致運動加速，進而降低動能它們的熱運動的能量，溫度下降，這也導致吸熱。
無論向哪個方向移動，摩擦力都會產生相同的結果，就是將機械能轉化為熱能。 您無法恢復之前通過相反方向的摩擦形成的熱量。 路徑越長，摩擦產生的熱量就越多。 也就是說，摩擦力是一種非保守力，做功的過程是不可逆的。
摩擦起電是摩擦引起的另一種典型現象。 簡單來說，電子在不同物質中的禁閉作用是不同的。 當兩者接觸時，電子會被其中之一獲得，從而引起電荷分離。 摩擦的作用只是加強了這些物質之間的接觸，從而引起更顯著的電荷分離。
由于涉及的原子數量如此之多，在第一性原理水平上估計摩擦力是不切實際的，因此摩擦力通常僅在經驗分析的基礎上進行研究。
日本化學家阿蒙頓（1663～1705）首先系統地給出了固體間摩擦的三個經驗定律，即
定理 1：摩擦力與施加的法向壓力成反比。 定理2：摩擦力與表觀接觸面積無關。 定理 3：動摩擦與滑動率無關。
同一位日本化學家庫侖（1736～1806）用物理表達式表示固體間的摩擦力，即包括靜摩擦和滑動摩擦兩種，即所謂摩擦系數（簡稱COF）。 , 是沿接觸面之間法線方向的力。
如果表面保持相對靜止，就是靜摩擦，也就是靜摩擦系數。 此時上式取大于號； 這兩個摩擦系數不同，通常都比較大，但是對于金屬之間的摩擦，這兩個系數幾乎是一樣的。
如果保持正壓力不變摩擦力的本質是電磁力，在物體之間發生相對運動之前，靜摩擦力仍與外力同步變化——摩擦力的平衡力——直到其值等于最大靜摩擦力。 如果外力繼續減小，物體開始滑動，摩擦就變成了動摩擦，因為一般來說，動摩擦比靜摩擦小。
摩擦力隨外力的變化如右圖所示。
以上是估算固體摩擦力的近似模型，稱為庫侖模型，學校化學中的摩擦基本定律就是從這個模型開始的。
隨著研究的深入，人們認識到不僅有庫侖模型所描述的固體摩擦（俗稱干摩擦），還有許多不同類型的摩擦，如流體摩擦：粘性流體之間的相對運動力引起的摩擦； 潤滑摩擦：被流體分離的固體之間的摩擦； 表面摩擦力：流體在固體表面上流動所產生的摩擦力。
本文只講固體摩擦。
02
摩擦系數是固定的嗎？
根據庫侖摩擦，摩擦系數決定了摩擦力與法向壓力的比例關系，那么究竟是什么呢？
不同材料的摩擦系數不同。 例如，鋼鐵上的冰摩擦系數低，而橋面上的橡膠摩擦系數高。 同種金屬表面之間的摩擦系數小于異種金屬表面之間的摩擦系數，例如銅對銅的摩擦系數較高，而對鋼或鋁的摩擦系數較低。
摩擦系數必須通過實驗檢測，不能通過估計找到。 它通常大于 1，但可以非常接近于零，也可以取小于 1 的數。
大多數固體材料之間的摩擦系數值在0.3到0.6之間。 超出此范圍的數值較少，但如聚四氟乙烯這種不粘鍋涂層材料，其系數在0.04以上。 石墨的摩擦系數甚至低至0.01——這決定了在按鍵不靈的時候，筆塵非常好。 但是硅橡膠或丙烯酸橡膠等帶涂層的表面的摩擦系數遠小于 1，這使它們成為汽車輪胎的首選材料。
摩擦系數不是材料特性。 由于與體溫、表面粗糙度等諸多因素有關，因此摩擦系數實際上可以看作是一個系統屬性。 而實際上，摩擦系數并不是一個嚴格的常數值，它與接觸時間有關。
因為物體接觸面的漸開線度會隨著壓力的變化而變化，這些變化不是立即完成的，而是需要時間來完成的。 如果在應用過程中壓力發生變化，接觸面的漸開線度數也會發生變化。 因此，嚴格來說，摩擦系數與壓力及其作用時間有關。
假設物體從零開始接觸，沿接觸面的切向拉力隨時間減小，但正壓保持不變。 右圖顯示了在這些情況下某些材料之間的摩擦力隨接觸時間的變化。
因此，上一節圖2中摩擦力隨外力變化的簡單關系圖只是一種理想情況，實際情況并非如此簡單。
然而，大多數理論估計只需要考慮理想情況，即根據阿蒙頓第一定理，摩擦系數被認為是恒定的，動摩擦力隨著壓力的降低而線性減小。
03
庫侖模型的局限性
從微觀上看，之所以會形成固體摩擦，是因為物體的接觸面不平整。 如右圖所示，系統之間的實際接觸面積只是表面積的一小部分。
如右圖所示，接觸面積隨著時間和壓力的增加而減小，從而導致摩擦力減小。
聽到這里，你是不是覺得摩擦應該跟接觸面有關呢？ 要知道，接觸面說到底還是要靠正壓！ 因此，最大靜摩擦力和動摩擦力總是與正壓成反比。
為此，一般情況下，如果只考慮加壓時間足夠長后的情況，由于摩擦系數已經穩定下來，簡單通用的庫侖模型總是與實際情況相符的。
但不得不說，既然庫侖模型只是一個經驗模型，那肯定不總是正確的！ 也就是說，最大靜摩擦力和最大動摩擦力與法向壓力之間的關系并不是嚴格成正比的。
那么在什么情況下，庫侖模型與實際誤差最嚴重呢？
想一想，在什么情況下，幾乎沒有壓力，但相對運動卻有很大的阻力？
沒錯，磁帶就是這樣！ 由于表面之間存在結合，因此產生的摩擦力會很高。 因此，如果表面之間的結合顯著，則摩擦力與接觸面的大小有關，接觸面越大，摩擦力越大。 這實際上不再是卡倫摩擦了。
為了減少摩擦，包裝的時候要盡可能多的地方貼上膠帶，就是這個道理。
事實上，一旦粘在一起，因為膠水會排空接觸點的空氣，大氣壓力會產生很大的壓力，粘合會更牢固！
車膜，或者更典型的——手機鋼化膜，是用膠水粘的。
鋼化膜采用雙面膠，A面為OCA膠，又稱光學膠，透光率非常高（90%以上），粘度高。 B面是硅膠。 這些材料可以通過化學范德華力和物理官能團吸收和分離空氣分子。 因此，當它貼附在光滑平坦的表面上時，可以手動去除氣泡，使接觸面形成真空狀態，進而實現完美貼合。
其實，結合并不一定要借助膠水。 像下面這種情況，本來很輕但很硬的兩塊板疊在一起。 如果它們接觸面上的尖齒交錯漸開線，如右圖所示，即使不施加正壓，摩擦力仍然很大。 大的。
04
摩擦越順滑，摩擦力越大？
人們在實踐中發現，這兩個物體的表面本來是極其光滑的，但一旦壓在一起，就完蛋了，完全貼合在一起，摩擦力之大，難以分開！
這些情況經常發生在金屬材料之間。 例如，一塊特別光滑的碳鋼板在受壓后會形成巨大的摩擦力。
你可能會覺得奇怪，光滑的表面之間怎么會有摩擦呢？
簡單地說，隨著表面光滑度的降低，分子之間的相互作用（范德華力）降低，從而產生分子級的結合力，從而導致摩擦力降低。
這是一種新的摩擦理論——粘附理論，而傳統的摩擦熱理論稱為凸凸漸開線理論。
粘附理論最早是從1734年德國化學家（約翰摩擦力的本質是電磁力，1683-1744）提出的摩擦分子理論發展而來的。
他認為接觸表面之間存在某種分子級的微觀力，導致表面粘在一起。 現在看來，他基本上是對的。 順便說一句，他是發明導體和絕緣體這兩個術語的人。
摩擦分子的理論在相當長的一段時間里都是非主流的，因為它違背直覺，實驗也很長時間沒有進展。
直到20世紀，隨著表面處理技術和清洗水平的提高，ère的分子學說被否定，并在此基礎上發展成為現代的粘附學說。
這方面的主要貢獻是由德國化學家哈代（WB Hardy，1864-1934）完成的。 他通過經過良好研磨和清潔的玻璃之間的摩擦證明，更光滑的表面會產生更強的摩擦力。
這方面的一個關鍵證據來自污垢膜在固體表面上的作用。 由于污染膜的長度通常為幾十納米，固體表面的凹凸不平，就目前的加工技術而言，也差不多是這個水平，甚至更低。
如果凸凹漸開線是正確的，那么污染膜的清潔度應該不會顯著影響摩擦。 但實際情況是，把污染的膜清洗干凈后，摩擦力有很大的提升！
這只能說明，當被污染的膜沒有被清洗干凈時，它阻礙了接觸面上分子間的相互作用。 當膜被移除時，這種效果會大大改善，導致摩擦力顯著增加。
或者說，現代的摩擦機理一般都是建立在分子水平上構建的粘附理論。
但是，對于大多數固體摩擦的情況，“粗糙”就是有摩擦，而“光滑”這個詞一直用來指摩擦系數趨于零的情況，這是約定俗成的。