明天開始，咱來說說磨擦力。
第一篇文章，我們先來講講磨擦力的基本知識，后續(xù)再講講磨擦力的一些細(xì)節(jié)問題，以及關(guān)于它的這些普遍被誤會或不為人知的事。
01
磨擦力的基礎(chǔ)知識
簡單的說，磨擦力是指接觸的物體之間出現(xiàn)的一種抵抗縱向相對運動或運動趨勢的力。
很其實，磨擦力不是一種基本力，它是由接觸面處的微粒集體作用的療效。實際上，它的微觀本質(zhì)始于電磁互相斥力。
因為磨擦力是大量粒子集體參與的，因而它的作用過程是一種宏觀現(xiàn)象，必然與大量粒子的運動相關(guān)聯(lián)，也就是所謂的熱現(xiàn)象。
當(dāng)物體接觸面相對滑動時，這些彼此緊靠的原子或分子都會相互促進和撕扯。這會造成兩種主要作用，一是這些粒子之間的結(jié)合被打破并重新結(jié)合，這常常會引起吸熱；二是原子遭到外力作用，會造成加速運動，進而使其熱運動的動能降低，氣溫下降，這也會造成吸熱。
無論順著那個方向運動，磨擦力就會造成一樣的后果，都是讓機械能弄成熱能，你不可能通過相反方向的磨擦回收之前形成的熱。路徑越長，經(jīng)磨擦形成的熱更多。換句話說，磨擦力是非保守力，它做功的過程不是可逆的。
磨擦起電是另一個由磨擦造成的典型現(xiàn)象。簡單的說，不同的物質(zhì)中的電子遭到的禁錮作用存在差異，當(dāng)兩者接觸時，就有電子被其中一方獲得，這就造成了電荷分離。磨擦力的作用不過是強化了這些物質(zhì)間的接觸，所以造成了更顯著的電荷分離。
因為涉及的原子數(shù)目這么之大，從第一性原理的層次估算磨擦力是不切實際的，所以磨擦力通常只基于經(jīng)驗剖析來研究。
日本化學(xué)學(xué)家阿蒙頓（，1663~1705）最早系統(tǒng)地給出了固體間磨擦力的三條經(jīng)驗規(guī)律，即
定理一：磨擦力與施加的正壓力成反比。
定理二：磨擦力與表觀接觸面積無關(guān)。
定理三：動磨擦與滑動速率無關(guān)。
同為日本的化學(xué)學(xué)家?guī)靷悾ǎ?736~1806）將固體間磨擦力用一個物理表達(dá)式來表示，即這兒的包含了靜磨擦和滑動磨擦兩種類型，就是所謂的磨擦系數(shù)（簡稱COF），是接觸面間沿法線方向的力。
若表面間保持相對靜止，為靜磨擦，是靜磨擦系數(shù)，此時上式取大于號；若表面之間發(fā)生相對運動，為動磨擦，是動磨擦系數(shù)，此時上式只取等號。這兩個磨擦系數(shù)不同，通常比大，但金屬之間的磨擦，這兩個系數(shù)幾乎差不多。
若保持正壓力不變，在物體之間發(fā)生相對運動之前，靜磨擦力仍然隨外力——摩擦力的平衡力——同步變化，直至它的值等于，此即最大靜磨擦力。若外力繼續(xù)降低，則物體開始滑動，磨擦力變?yōu)閯幽ゲ亮Γ驗橥ǔ碚f，所以動磨擦力比靜磨擦力小。
磨擦力隨外力變化如右圖所示。
以上是一種估算固體磨擦力的近似模型，稱之為庫倫模型，學(xué)?；瘜W(xué)中有關(guān)磨擦力的基本規(guī)律就是始于此模型。
隨著研究的深入，人們認(rèn)識到，不僅庫倫模型描述的固體磨擦（俗稱干磨擦）之外，還有好多不同類型的磨擦力，比如流體磨擦：黏性流體之間因為相對運動所造成的磨擦力；潤滑磨擦：被流體隔開的固體之間的磨擦；皮膚磨擦：流體在固體表面聯(lián)通所導(dǎo)致的磨擦力。
本文接出來只講固體磨擦。
02
磨擦系數(shù)是確定的嗎？
依據(jù)庫倫磨擦，磨擦系數(shù)決定了磨擦力與正壓力的比列關(guān)系摩擦力為什么是電磁力，這么它究竟是哪些東東？
不同材料之間的磨擦系數(shù)不同。諸如，鋼上的冰磨擦系數(shù)低，而橋面上的橡膠磨擦系數(shù)高。相同金屬面之間的磨擦系數(shù)小于不同金屬面之間的磨擦系數(shù)，比如，銅質(zhì)與銅質(zhì)之間的磨擦系數(shù)較高，但它與鋼或鋁之間的磨擦系數(shù)較小。
磨擦系數(shù)必須通過實驗檢測，不能通過估算找到。它通常大于1，但可十分接近零，還可取小于1的數(shù)。
大多數(shù)固體材料之間的磨擦系數(shù)值在0.3和0.6之間。超出此范圍的值較少，但諸如聚四氟乙烯——一種不粘鍋鍍層材料，其系數(shù)高于0.04。而石墨的磨擦系數(shù)甚至低至0.01——這決定了鎖匙不管用時鋼筆灰很好使。但像硅橡膠或丙烯酸橡膠鍍層表面的磨擦系數(shù)可遠(yuǎn)小于1，所以成為車輛車胎的最愛。
磨擦系數(shù)不是物質(zhì)屬性，由于它與體溫，表面粗糙度等好多誘因有關(guān)，所以磨擦系數(shù)實際上可看成一種系統(tǒng)屬性。而且實際上，磨擦系數(shù)并不是一個嚴(yán)格的恒定值，它與接觸時間有關(guān)。
由于物體接觸面的漸開線程度會隨壓力作用而改變，這些改變并不是頓時完成，而是須要時間來完成。假如壓力在作用中途變化，接觸面漸開線程度也會變化。因而嚴(yán)格來說，磨擦系數(shù)與壓力及其作用時間都有關(guān)。
設(shè)物體從零時刻開始接觸，沿接觸面切向的拉力隨時間不斷降低，但保持正壓力不變，右圖給出了這些情況下，某種材料之間的磨擦力隨接觸時間變化的情況。
因而，上節(jié)圖2中的那種磨擦力隨外力變化的簡單關(guān)系圖只是一種理想情況，實際情況并不是這么簡單。
不過，大多數(shù)理論估算只需考慮理想情況即可，即按照阿蒙頓第一定理，覺得磨擦系數(shù)是恒定的，動磨擦力隨著壓力降低而線性降低。
03
庫倫模型的局限性
從微觀尺度上看，之所以會形成固體磨擦力，是由于物體接觸面是凸凹不平的。如右圖所示，體系間的實際接觸面積只是表面積的一小部份。
如右圖所示，接觸面積隨時間和壓力的降低而降低，這會造成磨擦力減小。
聽到這兒，是不是覺得磨擦力應(yīng)當(dāng)與接觸面有關(guān)？要曉得，接觸面歸根結(jié)底還是取決于正壓力嘛！所以最大靜磨擦力和動磨擦力一直與正壓力成反比。
為此，在通常情況下，假如僅考慮壓力作用足夠長的時間之后的情況，因為磨擦系數(shù)早已穩(wěn)定了，所以簡單通用的庫倫模型總是與實際符合的挺好。
但不得不說，既然庫倫模型只是一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，它肯定不總是對的！也就是說，最大靜磨擦力和動磨擦力與正壓力之間并非嚴(yán)格的正比列關(guān)系。
這么在哪些情況下，庫倫模型與實際誤差最厲害呢？
你想想，哪些情況下，壓力幾乎沒有，卻存在很大的抵抗相對運動的力？
沒錯，膠帶就是這么！由于有一種表面間的結(jié)合，造成磨擦力會很大。所以表面間的結(jié)合若很顯著，磨擦力與接觸面的大小有關(guān)，接觸面越大，磨擦力越大。這其實不是庫倫磨擦了。
為了減小磨擦力，包裝時要盡可能地在多個地方貼上膠帶，就是這個道理。
其實，一旦粘起來了，因為膠會排空接觸處的空氣，所以大氣壓會形成很大的壓力，結(jié)合就愈加牢固了！
車輛貼膜，或則更典型的——手機的鋼化膜就是通過膠來粘住的。
鋼化膜里面使用了一種兩面膠，A面是OCA膠，亦稱光學(xué)膠，其透光率極高（90%以上），且黏度大。B面是硅膠，這些材料能通過化學(xué)上的范德華力和物理上的官能團作用吸附分離空氣分子，所以它跟光滑平坦的物體表面貼合時，能手動排除氣泡，讓接觸面形成真空狀態(tài)，進而實現(xiàn)完美貼合。
其實，結(jié)合不一定要通過膠的幫助。諸如下邊這些情況，兩塊原本很輕但很硬的板疊在一起，如果它們接觸面犬齒交錯的對準(zhǔn)并漸開線，如右圖所示，雖然不加正壓力，這個磨擦力也是很大的。
04
越光滑磨擦力反倒越大？
實踐中人們發(fā)覺，兩物體表面原本極為光滑，但一旦受力貼在一起，完了，完全合體了，磨擦力超級大造成難以分開！
這些情況常常發(fā)生在金屬材料之間，比如磨的特別光滑的碳鋼平板遭到壓力后會形成巨大的磨擦力。
你可能認(rèn)為很奇怪，為何光滑表面之間也能形成磨擦力？
簡單的說，隨著表面光滑度的降低，分子間的互相作用（范德華力）降低，產(chǎn)生分子級別的結(jié)合力，致使磨擦力降低。
這是一種磨擦力的新學(xué)說——粘附說，而傳統(tǒng)的磨擦熱學(xué)說被叫做凸凹漸開線說。
黏附說最早由德國化學(xué)學(xué)家德薩吉利埃（John，1683–1744）于1734年提出的磨擦分子說發(fā)展而至的。
他覺得，接觸面之間存在某種分子級別的微觀力造成表面粘在一起。如今看來，他基本上是對的。順便說一句，導(dǎo)體和絕緣體這兩個名詞就是他發(fā)明的。
磨擦的分子說在相當(dāng)長的時間內(nèi)是非主流的摩擦力為什么是電磁力，由于它違背直覺，加上在相當(dāng)長的時間內(nèi)，實驗上也沒有進展。
直至20世紀(jì)，隨著表面加工技術(shù)和清潔水平的提升，德薩吉利埃的分子說才得以否認(rèn)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展成為現(xiàn)代黏附說。
這方面地主要貢獻(xiàn)由德國化學(xué)學(xué)家哈迪（W.B.Hardy，1864–1934)）完成。他通過充分碾磨和清潔的玻璃之間的磨擦證明，更光滑的表面可以形成更強的磨擦力。
這兒面的一個關(guān)鍵證據(jù)來自于固體表面污染膜的作用。由于污染膜的長度通常是幾十個納米級別，而固體表面的凹凸，就目前的加工技術(shù)來說，也差不多是這個水平，甚至更低。
若凸凹漸開線說是正確的，這么污染膜的清潔與否，不應(yīng)當(dāng)顯著的影響磨擦力。但實際情況是，清潔掉污染膜以后，磨擦力極大的提高了！
這只能說明，在未清潔污染膜時，它阻隔了接觸面上分子之間的作用，當(dāng)膜去除以后，這個作用大大提高，引起磨擦力顯著提高。
甚或，現(xiàn)代對于磨擦的機制普遍是基于分子級的作用而構(gòu)建上去的黏附說。
不過，對于大多數(shù)情況下的固體磨擦來說，“粗糙”是指存在磨擦力，而“光滑”一詞一直是指磨擦系數(shù)趨向零的情況，這是一種習(xí)慣說法。