為何磨擦力與接觸面積大小無關(guān)磨擦是人類社會(huì)與生活中的一個(gè)基本現(xiàn)象，也是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，大多數(shù)人都能體會(huì)和明白這樣一些簡單的事實(shí)：沒有磨擦，人不能行走、汽車不能奔跑、輪船不能下水、飛機(jī)不能上天……。但是并非大多數(shù)人都曉得，磨擦的本質(zhì)和規(guī)律是哪些，我們的先祖又是怎樣去探求磨擦的本質(zhì)和規(guī)律的。古典哲學(xué)家亞里士多德的遺書表明，在古時(shí)，人類就曉得磨擦的存在和潤滑劑的用途，而且差不多2000多年來未對其作過科學(xué)的解釋。雖然這么，人類早已在自覺或不自覺地借助磨擦和磨擦作斗爭了。我國上古時(shí)代，鉆木取火就是世界上最早借助磨擦生熱的反例。1700多年前，三國時(shí)代杰出的機(jī)械發(fā)明家馬鈞，運(yùn)用磨擦的原理設(shè)計(jì)和變革了許多生產(chǎn)工具，創(chuàng)造了一種把湖水提下坡的工具稱作撞車，這些車輕便靈活，功效很高，這就是后代的龍骨水車。明朝杰出的科學(xué)家宋應(yīng)星在他寫的《天工開物》第二卷《乃服》中描述了“花機(jī)”，也是巧妙地應(yīng)用摩擦原理，成了當(dāng)時(shí)世界上最為先進(jìn)也最為精美的腳踩印花機(jī)。人類早在2300多年前就曉得滾動(dòng)磨擦要比滑動(dòng)磨擦小得多，假如要聯(lián)通一個(gè)重物，在重物下邊放一些滾木，其實(shí)要比在地面上聯(lián)通容易得多，正是基于這一點(diǎn)，才使車輪成為運(yùn)輸技術(shù)上的一大發(fā)展。
事實(shí)上，人類早在公元前3500年前就已使用了車輪。為了減少磨擦，人類大概也在公元前3500年前就開始使用潤滑劑了。我國應(yīng)用石油作潤滑劑的記載源于公元3世紀(jì)前后唐朝張華所著的《博物志》，書中提及銀川延壽和高奴有石油，但是用于“膏車及水碓甚多。”在土耳其的一座墓葬中，有一輛戰(zhàn)車，在其車輪軸承中仍保存有一些原先使用的植物油脂。希臘人在其不朽的建筑施工中還是顯示出，她們已清楚地懂得了磨擦的原理。在搬運(yùn)一座大塑像時(shí)，有172個(gè)奴隸順著木頭軌道拖曳一座重約6×104kg的大塑像，其中有一人將液體不斷地倒在軌道上，以降低拖曳雕塑的磨擦力。人類對磨擦現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)研究源于15世紀(jì)義大利的文藝復(fù)興。文藝復(fù)興使科學(xué)從神學(xué)和教會(huì)的學(xué)理體系中解放下來，并在新的合理主義、求實(shí)主義里面強(qiáng)有力地扎下了根。在此期間出現(xiàn)了不少杰出的人物，其中有代表性的是雷納德·達(dá)·芬奇。他是一名工程師，也是一名出眾的作家。受當(dāng)時(shí)不斷繁榮上去的船廠技術(shù)的影響，達(dá)·芬奇開始著手進(jìn)行磨擦的研究。他的有關(guān)磨擦的看法，散見于他的筆記中。達(dá)·芬奇結(jié)合實(shí)際進(jìn)行固體磨擦的實(shí)驗(yàn)研究，開始引導(dǎo)出在他曾經(jīng)誰也不曉得的現(xiàn)象和定理。他當(dāng)心慎重，采取了與任何教會(huì)無關(guān)的超然立場。
辛運(yùn)的是，新約上沒有提到有關(guān)磨擦的神意，因而他所引導(dǎo)出的磨擦現(xiàn)象，就絲毫毋須害怕會(huì)斥責(zé)教會(huì)而先于伽利略遭到審判。達(dá)·芬奇首先提到：物體的材料性質(zhì)不同，磨擦力的大小也不一樣。這是有關(guān)磨擦力大小的第一個(gè)闡述。接著摩擦力接觸面積有關(guān)嗎，他對光滑和粗糙的表面進(jìn)行磨擦實(shí)驗(yàn)比較，提出了表面越光滑，磨擦力越小的構(gòu)想，即把形成磨擦的緣由歸結(jié)于表面的粗糙度。這一構(gòu)想直至步入本世紀(jì)之前，幾乎沒有遭到任何人的懷疑。在輕、重物體的磨擦力對比實(shí)驗(yàn)中，達(dá)·芬奇寫出了使其名垂磨擦研究歷史的記載：“一切物體，剛要開始滑動(dòng)時(shí)，便形成稱作磨擦力的阻力，此磨擦力之大小，在表面是光滑的平面與平面之間磨擦?xí)r，為其重量的四分之一”。這是一個(gè)非常出眾的推理和歸納，說明磨擦力與重量即與垂直力成反比。他還最早確立了比列常數(shù)即磨擦質(zhì)數(shù)的概念，是件劃時(shí)代的記述。雖然在明天，對于光滑的固體表面來說，磨擦質(zhì)數(shù)等于0。25也是頗為正確的值。達(dá)·芬在磨擦研究領(lǐng)域留下了不少卓越的構(gòu)想、發(fā)現(xiàn)和啟示。他第一個(gè)弄清了只要在兩個(gè)磨擦面間介入一層薄薄的第二者物質(zhì)，磨擦力便形成很大的變化，這是構(gòu)成明天潤滑技術(shù)的初期構(gòu)想。他還首先用較圓的沙粒介于磨擦表面，發(fā)覺磨擦力減弱，并把這一事實(shí)歸結(jié)為沙粒在表面之間滾動(dòng)的結(jié)果而把磨擦分為“滑動(dòng)磨擦”和“滾動(dòng)磨擦”。
在銹蝕的研究方面，達(dá)·芬奇也留下了不朽的闡述，比如他強(qiáng)調(diào)在相同強(qiáng)度的材料與材料之間，若介于其中的第二者物質(zhì)比相夾的兩面軟，便因磨擦而打碎，若硬則填充于兩面之間，使兩面遭到銹蝕，接著闡述了兩面具有不同強(qiáng)度的情況，寫下了一段出人預(yù)料之外的闡述：“然而，兩個(gè)互相磨擦的物體若是強(qiáng)度不同，軟的材料使硬的材料遭到銹蝕。其理由是介于磨擦面之間的第三物質(zhì)埋到軟材料的磨擦面上固定出來，使其起著鑿子那樣的作用，將硬材料的這邊銹蝕。”這個(gè)論說，直至明天依然有著生命力，并與近代所揭示的機(jī)械的磨粒蘑損機(jī)理不謀而合。在達(dá)·芬奇的實(shí)驗(yàn)中，還有另一個(gè)重要的事情，即對磨擦力受接觸面積的影響的看法。這個(gè)問題在當(dāng)時(shí)通常人看來，理所其實(shí)地覺得“摩擦力理該與接觸面積成比列地減小”，但達(dá)·芬奇卻正確地強(qiáng)調(diào)：“同等重量的物體的磨擦力與其接觸面積無關(guān)?！标P(guān)于磨擦力與滑動(dòng)速率的關(guān)系以及靜磨擦力與動(dòng)磨擦力的大小關(guān)系，達(dá)·芬奇沒有更多提到，這個(gè)問題對達(dá)·芬奇來說是個(gè)困局。由于當(dāng)時(shí)沒有電動(dòng)機(jī)，而要想得到一定的滑動(dòng)速率，用手拉是不行的，無論如何也得須要?jiǎng)恿ΑＤ菚r(shí)僅有的只是風(fēng)力和水力，風(fēng)速一有變化風(fēng)力就不管用了，水力那時(shí)也不能換成電力，直至19世紀(jì)才發(fā)覺電磁作用原理。
因而，達(dá)·芬奇如何也沒有趕上使用電動(dòng)機(jī)的時(shí)侯，這大約是他的一大遺憾。達(dá)·芬奇對磨擦的研究是質(zhì)樸而出眾的，他所引導(dǎo)出的磨擦規(guī)律，比牛頓對力所下的清晰定義還要早200多年。他的科學(xué)研究工作，有許多是深受其周圍的問題和興趣促使的，他的許多研究工作，包括對磨擦的研究，都是杰出才智的科學(xué)好奇心。他對磨擦所做的研究工作及其推論，不久即被人們遺忘，直至200年后，科學(xué)出現(xiàn)了新的面貌，牛頓提出了關(guān)于力、反作用、加速度、動(dòng)量等的簡單定理，偉大的精典熱學(xué)時(shí)代開始了。并且在這200年的時(shí)間里，關(guān)于磨擦的研究幾乎沒有哪些值得記出來的事情。17世紀(jì)和18世紀(jì)，出現(xiàn)了兩件大事，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。第一件摩擦力接觸面積有關(guān)嗎，法國許多大國和日本陸續(xù)籌建了科大學(xué)。如1662年創(chuàng)立了巴黎皇家學(xué)會(huì)，1666年創(chuàng)立了美國科大學(xué)，1700年創(chuàng)立了普魯士科大學(xué)，1742年創(chuàng)立了英國科大學(xué)，1725年創(chuàng)立了莫斯科皇家科大學(xué)，1742年創(chuàng)立了英國自然科學(xué)學(xué)會(huì)。在此氣氛下，法國王朝都以扶助和鼓勵(lì)科學(xué)來提升聲望并引以自豪，許多皇室成員、貴族和知識分子普遍對科學(xué)事業(yè)形成興趣，進(jìn)而推動(dòng)了科學(xué)事業(yè)的發(fā)展；第二件，不斷出現(xiàn)動(dòng)力和機(jī)器并開始進(jìn)行工業(yè)革命，工程人員開始找尋更好的動(dòng)力方式取代人力、馬力、風(fēng)力和水力等，非常是水輪機(jī)和蒸氣機(jī)有了很大的發(fā)展和改進(jìn)。
正是在這樣的氛圍中開始對磨擦進(jìn)行新的研究。起先對磨擦進(jìn)行科學(xué)研究的是日本。17世紀(jì)末，德國的資本主義經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，船舶制造業(yè)和機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展更快，完善了小型鞋廠，武器了各類銑床和機(jī)械設(shè)備。而鞋廠里的工作機(jī)械其效率和耐用性的提升須要一定的磨擦方面的知識，牛頓熱學(xué)此時(shí)已發(fā)展成較健全的科學(xué)，因此被應(yīng)用于設(shè)計(jì)各類機(jī)械，并成為研究磨擦的理論基礎(chǔ)。日本對磨擦進(jìn)行研究的直接誘因，還可能是當(dāng)時(shí)軍事上的須要以及當(dāng)時(shí)的有閑階層普遍喜歡觀賞噴泉，而其中要用電機(jī)。諸如有一名工程師叫巴雷特，發(fā)表了關(guān)于水力學(xué)的兩冊專著，其中根據(jù)當(dāng)時(shí)的理解水平對磨擦有了創(chuàng)見的評析。不過，關(guān)于磨擦的第一篇原著是高勞米·阿蒙頓寫的。他是一位訓(xùn)練有素的建筑師，但在當(dāng)時(shí)從事某方面的專業(yè)并不排除對整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的興趣，如他以空氣膨脹原理研發(fā)了第一支二氧化碳體溫計(jì)，并設(shè)計(jì)出了一臺蒸氣機(jī)。當(dāng)時(shí)他曾直率地說，這臺蒸氣機(jī)理應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上獲得成功，由于它和馬不同，不用時(shí)不需加料。阿蒙頓1699年在荷蘭皇家科大學(xué)學(xué)報(bào)上發(fā)表了一篇關(guān)于磨擦的論文。在這篇論文中，他重申了達(dá)·芬奇曾經(jīng)得出而被人遺忘了的兩條磨擦定理。其中關(guān)于磨擦力大小與正壓力成反比（即F∝N）的關(guān)系很快被科大學(xué)接受，而關(guān)于磨擦力大小與物體大小（指接觸面積）無關(guān)的現(xiàn)象卻引發(fā)了科大學(xué)的震驚和懷疑。
該科大學(xué)老資格教授拉·希爾重復(fù)了阿蒙頓的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明阿蒙頓的推論是正確的。當(dāng)時(shí)阿蒙頓還注意到，他所研究的表面不是光滑的，而是連肉眼也看得出的粗糙面。所以他覺得，磨擦是因?yàn)橐粋€(gè)表面順著另一個(gè)表面的微凸體上升做功，或是由微凸體發(fā)生彎折或破裂而造成的，因而在后一世紀(jì)中大多數(shù)科學(xué)家接受了磨擦是因表面凸凹不平造成的。在阿蒙頓的論文發(fā)表35年后，法國科學(xué)家德薩古利爾對磨擦機(jī)理提出了一個(gè)迥然不同的觀點(diǎn)。他在討論磨擦?xí)r考慮了表面凸凹現(xiàn)象后強(qiáng)調(diào)：“當(dāng)兩個(gè)表面制造得比較光滑時(shí)，理應(yīng)較易滑動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)表明，平的金屬表面或其它物體表面可能因經(jīng)過拋光而使磨擦減小。”他把這些互相矛盾的特點(diǎn)歸因于接觸區(qū)的表面之間的“粘附”作用，但他沒有按照黏附作用來解釋磨擦定理。在磨擦研究方面作出卓越貢獻(xiàn)的人中，要推崇日本化學(xué)學(xué)家?guī)靵觥靵鍪且晃活H具經(jīng)驗(yàn)的工程師和實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家，原本是英國皇家工程部隊(duì)的一名隊(duì)長，在西馬來西亞群島服役9年，后來因病回到英國并開始研究磨擦，這是為獲得美國科大學(xué)為有效地研究機(jī)器設(shè)計(jì)提供的獎(jiǎng)金而進(jìn)行的。科大學(xué)明晰規(guī)定“摩擦定理和繩子撓度影響必須通過大規(guī)模的新實(shí)驗(yàn)來加以鑒別。”還要求把這種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于船舶機(jī)械。
由于當(dāng)時(shí)似乎對磨擦已進(jìn)行了大量的研究，其基本性質(zhì)也大體被弄明白了，但只得到了磨擦的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，用于生產(chǎn)現(xiàn)場的可靠性不高，急切須要對磨擦進(jìn)行有實(shí)用價(jià)值的試驗(yàn)研究，并取得可靠性數(shù)據(jù)，以克服磨擦，提升各類機(jī)器的效率和耐用性。庫侖在此期間發(fā)表了名著《簡單機(jī)械原理》，因而獲得了科大學(xué)的獎(jiǎng)金并被評為教授。庫侖在研究磨擦?xí)r，考慮了許多復(fù)雜誘因?qū)δゲ恋挠绊?，如物體材料及性質(zhì)、表面潤滑狀態(tài)，接觸面大小、負(fù)荷、表面接觸的滑動(dòng)的持續(xù)時(shí)間等等。其實(shí)他的研究有一定的模糊性，而且他所得出的推論卻是清晰和直接了當(dāng)?shù)?。庫侖同阿蒙頓一樣，也認(rèn)識到了他所研究的表面是不光滑的，當(dāng)兩個(gè)粗糙表面放到一起時(shí)，其接觸情況似乎兩把毛刷的鬃毛互相交嵌，這樣，接觸面積將隨表面減小而減小。假如磨擦是由黏附作用所造成的，這么它將隨物體的減小而減小，即磨擦和物體的大小有關(guān)。庫倉本人的檢測結(jié)果表明情況不是這樣。庫侖的戰(zhàn)功在于他提供了極有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)資料，并強(qiáng)調(diào)磨擦科學(xué)的發(fā)展公路。他是第一個(gè)認(rèn)識到磨擦除了取決于正確選用磨擦副材料，并且取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)的人，所以他得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)際中獲得了否認(rèn)。這樣，從達(dá)·芬奇、阿蒙頓到庫侖，對磨擦的研究確立了古典磨擦定理，即：1。
磨擦力的大小與接觸面的正壓力成反比。2。磨擦力的大小與名義接觸面積的大小無關(guān)。3。靜磨擦力的極限值小于滑動(dòng)磨擦力。4。磨擦力的大小與滑動(dòng)速率無關(guān)。上述古典磨擦定理的確定，在磨擦理論和磨擦技術(shù)上具有劃時(shí)代的意義。并在17世紀(jì)末期，把磨擦力即將引入牛頓熱學(xué)體系，從哪個(gè)時(shí)期開始，在熱學(xué)書上總算加上了磨擦的內(nèi)容。時(shí)至今日，學(xué)?；瘜W(xué)教科書上關(guān)于磨擦的概念，一直沒有超出古典磨擦定理的內(nèi)容。在明天的許多工程設(shè)計(jì)和估算方面，古典磨擦定理仍被證明是非常有效和符合客觀實(shí)際的。