如果摩擦是表面粗糙決定的,那為啥橡膠在玻璃上滑動這麼難?

歆琳科普


祖先們的理論是以實驗為支撐的,因此得以服眾,但摩擦力的問題,是我們以經驗得出的理論,應為感性知識,因此不具有普遍性。總有一天我們的理論會遇到一些不能解釋的問題。一個問題一般有很多解決辦法。看似每個辦法都具有合理性,但真正知道問題根本原因並解決只有一種,其他辦法暫時解決,是因為等價性的存在。再說牛頓萬有引力和愛因斯坦相對論,都能解釋引力,這就屬於局部等價性,但如果擴展至宇宙,能夠解釋的理論則正確,但不代表根本上解釋!

因此我們對摩擦力的認知,是不夠本質的,不全面的。所有這些反映出我們知識是唯心主義所講的那樣子,意識決定物質世界,我們只活在自己編造的世界中。一個表象的世界,一個意識和感官構建的世界中。


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關於這個問題,我們先了解下有關摩擦力知識,中學時期我們在力學課上都瞭解過摩擦力,但印象最深刻的就是要想增加摩擦力,表面肯定越粗糙越好,所以生活中我們使用的物品都會刻意去做一些勾痕以增加摩擦力。正如題所問,現在看來摩擦力遠不止這麼簡單。

摩擦力產生的原因

摩擦力是一個物體相對於另一個物體運動的阻力。它不像引力或電磁力那樣是一種基本力。相反,科學家認為摩擦力是兩個物體相互接觸的表面上帶電粒子之間的弱電磁吸引引起的,所以這一點就跟材料有很大的關係。而表面粗糙度只是一個因素而已。

物理學家們在15世紀就開始把支配摩擦力的定律拼湊在一起,但由於相互作用非常複雜,描述不同情況下摩擦力的特徵通常需要實驗得出,不能僅從方程或定律推導出來。

對於每一個關於摩擦的一般規則,都有許多例外。例如,兩個粗糙的表面(如砂紙)相互摩擦時會產生更多的摩擦力,而非常光滑的拋光材料(如玻璃板材),如果仔細地清洗掉表面上的所有微塵顆粒,它們可能會非常牢固地粘在一起,並且產生很強的摩擦力。

摩擦類型

摩擦力主要有兩種,靜摩擦和動摩擦。靜摩擦作用於兩個相對靜止的表面,而動摩擦作用於運動中的物體。

在液體中,摩擦是流體運動層之間的阻力,也稱為粘度。一般來說,粘性越大的液體越粘稠,所以蜂蜜比水有更多的液體摩擦力。

固體材料內部的原子也會經歷摩擦。例如,如果一塊固體金屬被壓縮,材料內部的所有原子都會移動,產生內摩擦。

在自然界中,不存在完全無摩擦的環境:即使在太空,微小的物質粒子也會相互作用,產生摩擦力。

摩擦係數

兩個相互運動的固體會產生動能摩擦。在這種情況下,摩擦是兩個物體之間作用的垂直力的一部分(這個部分是由材料的摩擦係數決定的,而這個數是通過實驗確定的)。一般來說,動摩擦力與接觸面積無關,與兩個物體移動的速度無關。

摩擦力也作用於靜止的物體。靜摩擦阻止物體運動,並且比兩個物體相對運動時所產生的動摩擦力大。靜摩擦力是使一個箱子在斜坡上不向底部滑動的原因。

摩擦在許多日常過程中起著非常重要的作用。例如,當兩個物體摩擦時,摩擦使一些運動能轉化為熱。這就是摩擦起火的原因。

摩擦也是造成自行車齒輪和其他機械部件磨損的原因。這就是為什麼潤滑油或液體常被用來減少運動部件之間的摩擦和磨損。

為什麼橡膠在玻璃上難以滑動?

根據上文我們知道,摩擦主要不是由表面粗糙度引起的。摩擦是由分子間的弱電磁力引起的,比如氫鍵和範德華鍵。如果兩個電中性的非極性原子靠得足夠近,它們就會相互產生電偶極矩,然後相互吸引。這些弱鍵導致兩個表面接觸的物體相互吸引,使得一個物體很難沿著另一個物體滑動。

橡膠雨刮器葉片在乾燥的擋風玻璃上移動時,會產生很大的摩擦。相反,雨點打在擋風玻璃上則會干擾電磁引力,減少摩擦。

此外,滑動運動可以在物體接觸時產生振動(聲子),這會從滑動運動中帶走能量,從而減慢物體的速度。因為摩擦主要是由電吸引而不是表面粗糙度引起的,光滑的物體仍然可以有相對較高的摩擦係數。

事實上,光滑物體會經歷非常高的摩擦(只要它們的化學結構能表現出顯著的電磁力),如果表面粗糙度非常高,那麼接觸的表面積也會更多。降低表面摩擦力的最好方法是同時解決這兩個問題:將表面弄光滑以降低表面粗糙度,然後灑上潤滑油,以防止化學鍵合產生的弱電磁力,如油或石墨。


量子科學論


“如果摩擦是表面粗糙決定的,那為啥橡膠在玻璃上滑動這麼難?”,相同材料的物體,其摩擦力大小主要和接觸面的光滑程度以及垂直接觸面的壓力有關。因此題目本身並不嚴謹,僅通過橡膠在玻璃上滑動困難而推翻“接觸面的粗糙程度影響摩擦力大小”這一觀點,我認為是不合理的,至少其缺乏相同材料的對比試驗。

摩擦力的成因

我們把阻礙物體相對運動或者相對運動趨勢的力稱為摩擦力, 摩擦力一般分為滑動摩擦、滾動摩擦和靜摩擦三種。通常來說,摩擦力的大小和物體之間的壓力以及物體接觸面的光滑程度有關,有一點值得要注意,那就是靜摩擦力的大小其實是具有“被動性”,它的大小是隨“使物體產生運動趨勢的力的大小”而變化的,在使物體產生移動前,你施加的力越大,物體接觸面間的靜摩擦力也就越大,當然,最大靜摩擦力還是和物體間的壓力以及光滑程度是有關係的。世界上不存在絕對光滑的物體,因此理論上來說任何互相接觸的物體都可以產生摩擦力,包括固體、液體和氣體之間的接觸,同樣在物體的內部也會有摩擦力。

雖然摩擦力無時無刻不存在於我們的生活中,但是科學家並不清楚摩擦具體的形成原因,我們所熟悉的摩擦定律其實也只是一個經驗定律。關於固體間摩擦力的形成原因,目前主要有兩個理論,既凹凸齧合理論和粘附理論。對於凹凸齧合理論來說,當兩個物體相互接觸時,由於物體表面存在粗糙不平,凸起與凹陷就會像齒輪一樣互補齧合在一起,當推動其中一個物體時,也就必然會出現摩擦阻力來帶動另一個物體,因此物體接觸面越粗糙,二者之間的摩擦力也就越大。下圖,輪胎表面凹凸不平。


對於粘附理論來說,我們首先要認識到世界上並不存在絕對光滑的物體,一些看起來非常光滑的物體表面,如果放大到原子層面依然是凹凸不平的,因此當兩個物體靠近時,在物體表面的微觀結構中這些凸起部位會最先接近在一起,並隨著接觸壓力的增加,兩個物體表面中的凸起結構趨於緊密貼合狀態,此時兩個凸起接觸面間的分子或者原子將產生明顯的吸引力(本質為電磁力),從而使凸起接觸面呈現出明顯的吸引作用,這一點就像是在粒子層面實現了粘合一樣,如果要使這兩個物體的表面產生相對運動,就要克服這種“粘合力”,因此摩擦力就出現了。下圖,壁虎的飛簷走壁和範德華力有關。

科學家在後來的研究中發現,物體表面不管是通過“凹凸齧合”作用還是“粘合”作用,都會產生摩擦力,因此理論上這兩種理論都是具有合理性的,不過二者的側重點還是有差別的,通常來說金屬表面接觸時,其摩擦力形成機制更符合“粘附理論”,而對於木材等較為粗糙的表面,其摩擦力形成機制更符合“凹凸齧合理論”。

為什麼橡膠在玻璃上很難滑動

對於本題來說,首先我們不能認為摩擦力是由物體表面的粗糙程度所決定,只能說粗糙程度會起到一定的影響,因為摩擦力的大小至少還和物體接觸面間的壓力有關。通常情況下,我們可以通過F = μ*Fn來計算物體之間的滑動摩擦力大小,其中μ代表滑動摩擦係數,Fn代表垂直摩擦面的壓力,因此單純的問為什麼橡膠在玻璃上很難滑動時,我們可以認為是壓力太大的緣故。除此之外,要知道物體間的滑動摩擦係數也會受到多種因素的影響,或者說在不同的情況下會有不同的滑動摩擦係數,比如物體間的接觸面做的越光滑,摩擦係數也就越低,除此之外,接觸面的乾溼程度、溫度等都會影響滑動摩擦係數值。

那麼為什麼當施加相同壓力時橡膠與玻璃的摩擦力大於其他物體?其實這個問題並沒有什麼意義,因為不同的材料其必然是有差異的。比如硬鋼與硬質橡膠的動摩擦係數大約為0.38,而玻璃與硬質橡膠的摩擦係數大約為0.53,這說明玻璃與硬鋼在材質上是不同的,如果結合現有的摩擦理論,我們可以認為是由於硬鋼更光滑一些,而玻璃稍差一些,當然,也可能是“粘合力”的差異。


寫在最後的話

綜上所述,在對比不同物體間的摩擦力大小時,我們需要綜合考慮,摩擦力主要受物體的粗糙程度以及接觸面的壓力影響,但如果僅通過橡膠在玻璃上滑動困難而推翻“接觸面的粗糙程度影響摩擦力大小”這一觀點,我認為是不合理的,因為其缺乏基本的對比試驗。因此我建議,可以通過“相同壓力下同一個橡膠在粗糙玻璃表面和光滑玻璃表面分別測量摩擦力”來分析物體粗糙程度對摩擦力的影響效果。

感謝瀏覽,我是漫步的小豆子。


漫步的小豆子


誰告訴你摩擦力由表面粗糙度決定?摩擦力的產生很複雜,並不是只取決於粗糙度,至今人類還未完全研究出摩擦產生的原因。影響摩擦力的因素有材質、表面粗糙度、硬度、強度、塑性、空氣溼度、材料中電子運動狀態……例如兩塊很光滑的鋼板摩擦力有時會很大,有時候兩塊材料間添加潤滑劑摩擦力不減反增。兩塊光滑的玻璃摩擦力很大,表面粗糙的玻璃摩擦力反而小。


江城大雨


因為摩擦力是由粗糙程度決定的,所以橡膠在玻璃上滑動很難。橡膠和玻璃的接觸面有好幾萬億凸起,數量之多以至於人眼和設備都無法查清,當然比那些只有幾百萬凸起的接觸面更粗糙,也更難滑動。

當然這是經不起推敲的詭辯,其目的只是使提問者更全面地思考問題,推翻既有成見,從新的更合理的角度重新審視思考這個問題。


締造新社會


本題是很值得探討的課題,我這裡有一本清華大學教科書《摩擦力原理》,主要是依據唯象方法論,沒從本質層面探討,讀者可查閱。

不過我想以物理新視野的方式,來回答這個專業問題。先給出唯象論的答案。然後探討摩擦力的本質。

通過實驗統計法,探討摩擦力要素

直接從實驗現象大數據分析獲得動力學方程,叫唯象方法論。以下兩個答案,不難理解。

其1:摩擦力與界面粗糙度及其正壓力成正比。界面粗糙度=非接觸面積÷覆蓋面積,即:

F=ζNA₁/A...(1),

摩擦係數ζ,與界面材料的硬度(H)、密度(ρ)、粘度(μ)等結構參數有關。

方程(1)表明,特定材料之間的摩擦力,與界面的非接觸面積成正比。

換言之,如果不是懸浮狀態,非接觸面積越大,摩擦力越大。顯然,接觸面越小越粗糙,坡面越陡峭,阻力就越大。

例如,輪胎接觸石子路面的摩擦力,遠大於光滑的硬質路面。

其2:摩擦力(F)與界面的密封度及其正壓力成正比。界面密封度=接觸面積÷覆蓋面積,即:

F=ζN(A-A₁)/A...(2)



方程(2)表明,摩擦力與界面間接觸面積成正比。因為接觸面積越大,密封性越好,真空度與吸附力越大。如輪胎接觸緻密的泥炭路面。

把方程(1)與(2)合併起來,可以寫成:

F=ζNA₁(A₁-A)/A²...(3)

顯然,就唯象方法論而言,不同材料的摩擦係數(ζ)是摩擦力要素的研究重點。

摩擦力的本質,是電子的抗簡併壓

先來分析界面粗糙度這一要素,是怎麼生產摩擦力的,我稱之為“粗糙阻力機制”。


表面越粗糙,如同鋸齒狀分佈。鋸齒頂尖端部分面積很小,因重力(mg)作用的壓強(p)很大,簡稱鋸齒壓強,寫成:

p=N/A₁=mg/A₁...(4)

鋸齒壓強,壓迫材料內部的核外電子做加速運動,同時,電子電荷加速切割核電荷磁場,加大了電磁感應的洛倫茲力或電磁力,而且,縮小了電子繞核的軌道半徑(r)。

換言之,摩擦力所作的體積功(W),轉化為核外電子軌道動能增量或n個電子電磁力增量。

W=pV=pA₁n△r...(5),

△Ek=n·½m₀v²=nke²(1/r-1/r)...(6)

其中△r是電子軌道半徑的負增量。


不難理解,可以得出以下本質性的推論:

根據反作用力定律,摩擦力對核外電子施加體積功,核外電子必有抗簡併壓的反作用力,其大小為n個電子的電磁力增量。

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物理新視野


影響摩擦力得三個因素,摩擦力系數,接觸面積,作用在接觸面的壓力。

它倆之間的係數大


胡阿坤Bery


表面粗糙度只是其中一方面,接觸面大小是另一方面,而且是起決定性的一方面。

個人認為,過去關於摩擦力的理論,研究方向都是錯誤的!摩擦力就是兩物體所有理論接觸點從零到既定速度所施加的力的綜合。

兩物體接觸時,可以看做無數細小的面接觸,處於靜止狀態。打破靜止需要的力可分幾個方面:

1.接觸面的多少。面越多需要的力越大。

2.接觸面的大小。面越大需要的力越大。

3.用力方向。方向越不一致需要的力越大。

再光滑的物體也是可以細分為凹凸不平的更小的面的,物體接觸時就是這些面在接觸。詳細說一時半會說不完,舉幾個例子吧。

1.兩塊橡膠接觸。與接觸面垂直力的大小使得橡膠本身變形,接觸面增大則摩擦力增大。

2.兩塊玻璃接觸。細分後,接觸面小切多,需要的初始力增大,運動中則不需要太多力。如果在兩塊玻璃中間加水,這個現象會更明顯。初始力更大,一旦進入運動狀態則不需要更多的力維持,你施加的力突然就會全部轉換到運動力。

3.兩塊毛巾接觸,表面不平,會形成很多嵌入式接觸,你施加的力與接觸面不在一個方向上,那麼只能是破壞性的改變嵌入式結構才能達到運動的目的,這也就是摩擦會使物體破損但越來越光滑的原因。

4.如果兩物體全是凸起式的點觸面但點密度不一樣無法形成嵌入,那麼不用多少力就能滑動,軸承就是這個原理。

那麼就應該有一個新的公式,總面積以定的情況下,接觸面大小和多少成反比,乘以粗糙係數(加入垂直力與抗變形係數),得出初始力大小,再以此為據算出力的損耗,得出運動過程中維持力的大小。


壁線


摩擦力發生兩個接觸物體之間。

影響摩擦力大小的第一個因素是上面物體的質量越大,摩擦力越大。

第二個因素是兩個接觸物體表面之間的情況有關,通常用摩擦係數來描述。摩擦係數越大,摩擦力越大。這個係數由實驗得出。

摩擦係數與兩物體的材質都有關。玻璃與玻璃接觸,兩者都光滑,摩擦係數小,摩擦力就小。

橡皮與玻璃接觸,由於橡皮表面相對粗糙,摩擦係數增大,摩擦力也就增大了。

橡皮是柔性材料,當緊壓玻璃時,兩者分子之產生巨大的引力,這時摩擦力更大,可能根本拖不動橡皮,甚至將玻璃提起來。


辛福先


玻璃的光滑是相對的,如果用顯微鏡觀察玻璃表面也是凹凸不平,橡皮質地柔軟,用手壓著在玻璃上滑動時能讓橡皮表面與玻璃表面的凹凸相互緊密貼合,所以能夠感覺到阻力,如果是在更粗糙的物體表面用同樣的力度滑動橡皮,可以更加感到阻力增加並有可能讓橡皮撕裂。


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