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      摩擦力小史
         人類很早就對摩擦現象有了認識并加以利用,許多早期的文獻里,都有把摩擦的影響減至最小的多種嘗試的記載,2000多年前的亞里士多德就已經提到摩擦力的概念。但是真正對摩擦進行定量的研究,則始于15世紀的文藝復興時期。
      1508年,達·芬奇(Leonardo da Vinci, 1452-1519)使用石頭和木頭開始了對固體摩擦的實驗研究,測量了水平和斜面上物體間的摩擦力,他得出了等重物體之間的摩擦力與接觸面積無關的重要結論,并首先引入了摩擦系數的概念。他將該系數定義為摩擦力和垂直載荷的比值,即μ=F/P。他的結論是:“每一個摩擦物體所具有的摩擦阻力等于自身重量的四分之一!碑敃r他使用的材料大多為硬木或鐵與硬木的組合,他的結論對于這些材料來說還是比較符合實際的。
      進入16世紀后,由于水力和風力能源的廣泛應用,機器大量增加,特別是磨的發展,大大推進了對摩擦的研究。許多科學家進行了各種各樣的摩擦實驗,其中最有成就者當推法國實驗物理學家阿蒙頓(G.Amontons,1663-1705)。作為一個永動機的積極倡導者,他自然對摩擦產生的損失特別感興趣。他通過多次實驗后,于1699年12月19日向皇家科學院提交了一份經典論文。在文中提出了摩擦力的經典規律,這就是后來人們所熟知的阿蒙頓定律。
      ①靜摩擦定律:兩接觸物體間的最大靜摩擦力,跟接觸面上的正壓力成正比,并與接觸面的性質及狀態有關;但與接觸面的面積及形狀無關,即f靜=μ0·N。
      ②滑動摩擦定律:滑動摩擦力跟摩擦物體接觸面上的正壓力成正比,跟外表面的接觸面積無關,即f滑=μ·N。
      進入18世紀的法國,在經濟、軍事、工業等方面有了很大的發展。機器的大量使用,使得機械的效率和耐磨問題成為了一大難題。為此,巴黎科學院于1781年以“摩擦定律和繩的倔強性”為題,進行了一次有獎競賽。庫侖研究總結了達芬奇和阿蒙頓的實驗和理論之后,又進一步做了大量的實驗,最終以《簡單的機械理論》為題的論文贏得了這次競賽的優勝獎,提出了他的摩擦理論——庫侖摩擦定律。
      ①庫侖摩擦第一定律:摩擦力跟作用在摩擦面上的正壓力成正比,跟外表面的接觸面積無關。這實際上就是阿蒙頓定律,也就是現在稱謂的靜摩擦定律和滑動摩擦定律。
      ②庫侖摩擦第二定律:滑動摩擦力和滑動速度大小無關。這一結論,若作為普遍法則是不正確的。實際上滑動摩擦力和滑動速度的關系是相當復雜的。
      ③庫侖摩擦第三定律:最大靜摩擦力大于滑動摩擦力,即f靜max>f滑。
      ④庫侖二項式定律:反映了摩擦力和負載之間的關系,即滑動摩擦力f滑=μN+A。
      庫侖認為“常數”A跟正壓力的平方根成正比,但它都沒有反映出A的物理意義,這一定律也只適用于干摩擦和邊界摩擦。
      庫侖對摩擦的研究,總結了從達·芬奇到阿蒙頓的理論,提出了他的庫侖摩擦定律。但是,實際上這些定律只能是經典的經驗公式,對于實際情況也僅僅是近似的、粗淺的描述。
      19世紀,隨著蒸汽機進入實用階段,工業革命迅速普及,為了防止機器的高速轉動而帶來的軸承燒焦和磨損,潤滑成了這個時期摩擦研究的特征。
      1883年,英國的托爾在研究軸承的潤滑中發現油膜具有高壓力;同時代的雷諾根據托爾的發現,利用流體力學的原理,從理論上證明了因旋轉而在油膜中產生高壓力的現象,說明了軸與軸承的間隙能支持載荷的道理。
      1896年,金斯伯里證明了用空氣代替潤滑油的設想,在一次美國軍事系統的展覽會上進行了空氣軸承的公開表演。這種軸承后來在高速磨床、高級陀螺儀上得到了廣泛的應用。
      在這一時期,雷尼、莫倫等人測定了許多物體間的摩擦系數,迄今仍在廣泛應用。
      總之,進入19世紀,由于摩擦的實驗定律大體已確立完畢,只是在研究如何減小摩擦方面進行了一系列工作,但仍然沒有對摩擦的物理機制給以科學的、滿意的解釋。摩擦本質的研究,出現了多種學說。
      早在達·芬奇、阿蒙頓、庫侖等人在研究摩擦定律的同時,就對摩擦的物理機制提出了一個凹凸說。他們認為摩擦的根源在于兩表面的凹凸相互嚙合,當一個物體在另一個物體表面上滑動時,互相嚙合的凹凸部分,就會相互撞碰,并且被破壞,阻礙物體運動,就產生了滑動摩擦。但是這一理論無法解釋為什么表面越光滑,反而摩擦越大,新生成的結晶表面在空氣中停留時間一長,摩擦系數會急劇減小等現象的產生。
      1734年,貝薩克利基于光滑鉛柱的粘合實驗,認為摩擦的物理機制在于相互摩擦的表面分子間的相互作用力,因而提出了一種分子說。他預言:“只要把平面無止境地研磨得很光滑,摩擦遲早會增大的!边@一理論得到了英國物理學家文斯(1749-1821)的贊同,并被實驗所證實。
      凹凸說認為摩擦源于凹凸體間的相互擠壓、剪切的機械阻力;而分子說則認為摩擦來源于接觸面上晶體分子間電性引力。其是非焦點在于前者認為摩擦是凹凸間的斥力,后者認為是接觸面間的粘著引力。
      1939年,克拉格爾斯基統一了爭論很久的凹凸說和分子說,認為摩擦具有二重性:它不僅要克服兩表面分子相互吸引所決定的作用力,還要克服由于表面粗糙互相嚙合而發生變形所引起的機械阻力,從而提出了一套摩擦的分子—機械理論學說。
      1950年,包登等人認為兩物體個別接觸區產生的高壓引起局部熱熔而粘為一體,這樣形成的連結又因表面相對滑動而剪斷。粘著點的形成和剪斷在接觸表面上交替進行,構成摩擦的粘著分量;較硬表面的微凸體犁削較軟材料的基體,構成摩擦的變形分量,總的摩擦力是二者之和。這種理論被稱為粘著說,被普遍承認適用于金屬間的摩擦。
      近年來,由于表面技術加工的發展,半導體工業所帶來的高真空、高潔凈環境技術的發展等有利條件,相繼又出現了表面微凸體的塑性作用學說和熱活化分子動力交換學說,這些學說也能在一定范圍內說明摩擦產生的物理機制。但是,由于影響摩擦的因素相當復雜,現有的這些學說都不是包羅萬象的,無法完整和圓滿地將摩擦的物理機制說清楚。

      2012/5/21  
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