那无处不在的力量

世界上有一种神奇的东西，外形可以忽略不计，体积为零，真空高压不伤米莉，电光化石一动不动。

它可坚如磐石，起千钧之力；可细如发丝，盘绕指之柔。必要的时候它可以带电、可以突破引力、甚至可以光速行进、穿越磁场！它“折磨”了几代莘莘学子，无数英雄“惨死”在它的手下，它就是物理学中的小滑块。这个过于强大的小模块，有时竟然还能摆脱那股无处不在的力——摩擦力！

众所周知，“摩擦力”是经典力学的一个名词。如果两个互相接触的物体有弹力，当它们要发生或有趋势发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就是摩擦力。摩擦力无处不在，大到航行的战舰，

小到飞行的苍蝇，

都时刻与摩擦力打着交道，如果没有它，你甚至捡不起掉在地上的肥皂。虽然摩擦力在我们的生活中起着不可替代的作用，但是你真的了解它吗？

早在1508年，达芬奇就利用石头和木头开始了对固体摩擦的实验研究，测量了水平和斜面上物体间的摩擦力，以及半圆形槽与滚筒间的摩擦力。他还进行了表面接触面积大小对摩擦阻力影响的实验研究，得出了等重物体之间的摩擦力与接触面积无关的重要结论。

达芬奇与摩擦力

达芬奇首先引入了摩擦系数的概念，他将该系数定义为摩擦力和垂直于两物体接触面的压力的比值。由于当时他使用的实验材料非常有限，大多为硬木或铁与硬木的组合，这导致他误认为所有物体的摩擦阻力都相当于其自身重量的四分之一。

达芬奇还研究了接触面有润滑油和其他介质时对摩擦的影响，得出了“所有东西，不管它如何薄，当它放入两个互相摩擦的物体之间时，摩擦都会减少”的科学预言。

流体间的摩擦

当液体或气体沿一个固体表面流动时，其流速会受到摩擦力的影响而减缓。而固体表面的构造则几乎不会影响摩擦力的大小，所以影响流速的主要因素就是流体的横截面面积，因此在日常生活中使用的运输管道的直径都不会太大。当然，除了流体与固体表面之间存在摩擦之外，流体内部不同层次间也有内部摩擦。所以流体与固体表面的距离与其流速是成正比的。

在工程技术中，人们使用流体摩擦来减小机械配件之间的磨损，润滑剂和气垫导轨的工作原理就是利用流体摩擦来代替固体摩擦。假如相互摩擦的两个表面被一层流体完全隔离，那么它们将会产生液体摩擦。假如液体的隔离不够彻底，那么也可能产生混合摩擦，不过混合摩擦的磨损依然较固体摩擦更小。

负摩擦系数现象

2012年，微纳力学中心和美国国家标准技术研究所共同合作，在《自然材料》上发表了一篇题为《在纳米尺度上石墨表面由于粘着引起的负摩擦系数》的论文。物理学家们首次在实验中观测到，并从理论上解释了纳米尺度下存在负摩擦系数的新奇现象。

从500多年前达芬奇手稿中对摩擦现象的第一次定量描述，到如今被广泛运用的库仑摩擦定律，人们普遍认为摩擦力总是随着物体间接触压力的增大而增加的。然而，这次实验研究发现，在纳米尺度上物体间的摩擦现象并非遵循宏观尺度上的规律，有时候结果恰恰相反。研究团队采用原子力显微镜测量了一种表面经过化学处理而变得很“粘”的石墨材料的摩擦情景，他们惊奇地发现探针与石墨表面的摩擦力会随着探针压力的减小而增大，也就是说其等效的摩擦系数为负！

摩擦系数可以大于1

在高中科学课本中有一个测定摩擦力的实验。实验中，有一个摆放在倾角为θ的斜面上的、质量为m的物体在匀速运动，它所受到的摩擦力等于重力在沿斜面向下方向的分力，由此可知mgsinθ0=μmgcosθ0，进而推得，μ=tanθ。

一般情况下，人们拖拉物体比背着它走省力。假设重物匀速运动，因F=μmg，而F<mg，则μ<1。所以有人据此觉得μ<1（摩擦系数小于1）。其实，由于正切函数在第Ⅰ象限的值域是（0，∞），所以μ不一定小于1，甚至可以取到正无穷。至于μ到底是多少，则由材料性质、界面状况等其他因素而定。

在《伯克利物理学教程》第一卷《力学》中也记载道：铜与铜的静摩擦系数是1.6，橡皮与固体的静摩擦系数是1.0～4.0 。

由此可知，摩擦系数可以等于或大于1。

神秘的摩擦力

摩擦力究竟从何而来？摩擦力的本质到底是什么？关于这两个问题，一直众说纷纭，总结一下主要有以下三种学说。

凹凸啮合说 15世纪至18世纪的科学家们提出，摩擦力的本质是因相互接触的物体表面粗糙不平造成的。当两个物体相互接触挤压时，接触面上很多凹凸部分会互相啮合。如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分就会相互碰撞，产生断裂、磨损，由此形成对运动的阻碍，即摩擦力。

粘附说 最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出。他认为，当两个表面异常光滑的金属充分接触时，它们的分子引力将增大，摩擦力由此产生。

摩擦粘附论 20世纪中期产生的摩擦粘附论认为，两个相互接触的表面，无论多么光滑，从原子尺度看，还是非常粗糙的，有许多微小的凸起。如果把这样的两个表面放在一起，微凸起的部分就会发生接触，而微凸起之外的部分接触面会产生更大的间隙。这时，要使两个彼此接触的表面发生相对滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力，来克服分子（原子）间的引力，“剪断”实际接触区生成的接点，由此产生摩擦力。

不过，关于这股无处不在的力的实质，目前尚无定论，科学家们仍在讨论中。

相关链接

库仑摩擦定律

库仑摩擦第一定律：摩擦力跟作用在摩擦面上的正压力成正比，跟外表接触面积无关。

库仑摩擦第二定律：滑动摩擦力和滑动速度的快慢无关。

库仑摩擦第三定律：最大静摩擦大于滑动摩擦力。