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，后續再講講磨擦力的一些細節問題，以及關于它的這些普遍被誤會或不為人知的事。
01
磨擦力的基礎知識
簡單的說，磨擦力是指接觸的物體之間出現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象，必然與大量粒子的運動相關聯，也就是所謂的熱現象。
當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合被打破并重新結合，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象。簡單的說，不同的物質中的電子遭到的禁錮作用存在差異，當兩者接觸時，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驗剖析來研究。
日本化學學家阿蒙頓（，1663~1705）最早系統地給出了固體間磨擦力的三條經驗規律，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。
定理三：動磨擦與滑動速率無關。
同為日本的化學學家庫倫（，1736~1806）將固體間磨擦力用一個物理表達式來表示，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（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，此時上式取大于號；若表面之間發生相對運動，為動磨擦，是動磨擦系數，此時上式只取等號。這兩個磨擦系數不同，通常比大，但金屬之間的磨擦，這兩個系數幾乎差不多。
若保持正壓力不變，在物體之間發生相對運動之前，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。若外力繼續降低，則物體開始滑動，磨擦力變為動磨擦力，因為通常來說，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，學校化學中有關磨擦力的基本規律就是始于此模型。
隨著研究的深入，人們認識到，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：流體在固體表面聯通所導致的磨擦力。
本文接出來只講固體磨擦。
02
磨擦系數是確定的嗎？
依據庫倫磨擦，磨擦系數決定了磨擦力與正壓力的比列關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不同。諸如，鋼上的冰磨擦系數低，而橋面上的橡膠磨擦系數高。相同金屬面之間的磨擦系數小于不同金屬面之間的磨擦系數，比如，銅質與銅質之間的磨擦系數較高，但它與鋼或鋁之間的磨擦系數較小。
磨擦系數必須通過實驗檢測，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。
大多數固體材料之間的磨擦系數值在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，其系數高于0.04。而石墨的磨擦系數甚至低至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可遠小于1，所以成為車輛車胎的最愛。
磨擦系數不是物質屬性，由于它與體溫，表面粗糙度等好多誘因有關，所以磨擦系數實際上可看成一種系統屬性。而且實際上，磨擦系數并不是一個嚴格的恒定值，它與接觸時間有關。
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。因而嚴格來說，磨擦系數與壓力及其作用時間都有關。
設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，上節圖2中的那種磨擦力隨外力變化的簡單關系圖只是一種理想情況，實際情況并不是這么簡單。
不過，大多數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當與接觸面有關？要曉得，接觸面歸根結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，因為磨擦系數早已穩定了，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驗模型，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格的正比列關系。
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合，造成磨擦力會很大。所以表面間的結合若很顯著，磨擦力與接觸面的大小有關，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，進而實現完美貼合。
其實，結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，產生分子級別的結合力，致使磨擦力降低。
這是一種磨擦力的新學說——粘附說，而傳統的磨擦熱學說被叫做凸凹漸開線說。
黏附說最早由德國化學學家德薩吉利埃（John，1683–1744）于1734年提出的磨擦分子說發展而至的。
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，導體和絕緣體這兩個名詞就是他發明的。
磨擦的分子說在相當長的時間內是非主流的摩擦力為什么是電磁力，由于它違背直覺，加上在相當長的時間內，實驗上也沒有進展。
直至20世紀，隨著表面加工技術和清潔水平的提升，德薩吉利埃的分子說才得以否認，并在此基礎上發展成為現代黏附說。
這方面地主要貢獻由德國化學學家哈迪（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。
這兒面的一個關鍵證據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，不應當顯著的影響磨擦力。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，現代對于磨擦的機制普遍是基于分子級的作用而構建上去的黏附說。
不過，對于大多數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趨向零的情況，這是一種習慣說法。