摩擦力的本质是什么?
摩擦早就成为人们司空见惯的现象,但又常常被人们遗忘。
几年前,报纸上曾报道了这么一则新闻:一位中年男子跑步的时候被西瓜皮滑倒,送至医院急救,已经脉搏全无。一块西瓜皮断送了一条人命,真是不幸。乱扔瓜皮的人理应受到谴责。不过,假如他扔的是一块胶皮,那个中年人是不至于滑倒丧命的。那么,西瓜皮杀人,究竟是什么东西捣的鬼呢?
无独有偶。根据记载,1927年12月21日,英国伦敦由于地面结了冰,汽车和电车的行驶都发生困难。大约有1400人摔坏了手脚,被送进医院。在海德公园附近,三辆汽车跟两辆电车相撞。由于汽油爆炸,车辆全部烧毁。造成这一惨祸的祸首是谁呢?
在一本儒勒·凡尔纳写的小说中,描写了一位名叫马蒂夫的大力士,他力大如虎,有一次,眼看一条刚从船坞滑下水的大船“特拉波科罗”号将和一艘快艇相撞,岸上的人都束手无策。只见马蒂夫一个箭步跨到大船跟前,抓住拴在船头的缆索,在埋入地里的铁桩上绕了几圈。他冒着被摔死的危险,用手拉住缆索大约10秒钟。最后,缆索断了,可是这10秒钟时间已经足够了。特拉波科罗”号进水以后,只是轻微地擦了一下快艇,就向前驶去了。这个故事里的马蒂夫的勇敢行为确实令人敬佩。然而,即使换上一个只能使出10千克力的孩子,也能创造这一奇迹。这是有科学根据的。事实上,马蒂夫并没用多大力气,而缆索毕竟又被船拉断了,那么到底又是谁出了大力,立下了大功呢?
不可思议的是,这三件似乎风马牛不相及的事情,不论涉及的是闯祸者,还是立功者,居然都跟摩擦有关。前两个惨案的发生,是因为脚和瓜皮之间、车轮和冰之间的摩擦力太小了;后一个惨案的避免,又依靠了缆索和铁桩之间巨大的摩擦力!
摩擦,就是互相接触的物体在接触面上发生的阻碍相对运动的作用。这种阻碍相对运动的力,叫摩擦力。人们几乎每时每刻在同摩擦打交道。它既可成为人的“敌人”,又可变为人的“朋友”。为了能驾驭“摩擦力”,使之“造福于人类”,人们对于摩擦的研究和应用一直在进行着探索。
摩擦力的性质很复杂,人们对它的本质——摩擦力的起因问题已争论了500多年,至今还未达到十分清楚的程度。
对摩擦的科学研究始于15世纪意大利的文艺复兴时期,作为当时有代表性的人物是雷纳德·达·芬奇。他在当时繁荣起来的造船技术影响下,首先着眼于摩擦的实验研究。他对表面光滑和粗糙的东西的摩擦作了比较,提出了愈是光滑,摩擦程度愈低的见解,并将摩擦的起因归于固体表面的粗糙程度,即凹凸程度。这一想法在其后17、18世纪的法国发展起来的摩擦研究热中,是由库仑提出摩擦的凹凸说来完成的。凹凸说认为:摩擦力是由表面凹凸不平的物体互相接触而引起的。物体麦面无论经过哪种加工,都或大或小地留下凹凸。正如剑桥大学的帕伊博士比喻为:固体表面的接触,犹如把瑞士连同马特霍恩峰和埃加蜂一起翻过来,用来盖到喜马拉雅山脉的上面一样。正是由于这两面互相咬合,要想使之滑动,必须顺着其凸部反复地抬起来,或者把凸部破坏掉,这便是产生阻碍相对运动的摩擦力的基本原理,在相当长的历史时代里,凹凸说几乎没有受到任何人的怀疑。
然而,就在库仑的凹凸说完成之前50年,就有一种新的设想在英国悄然萌芽了。17世纪末,牛顿力学已形成了出色的体系,绝大多数科学家站在力学的机械论立场上支持凹凸说。而英国的物理学家德萨古利埃却对法国出现的凹凸说潮流置于不顾,他提出了摩擦力产生机理在于摩擦面上的分子力交错所致的见解。这个大胆的设想从正面反对凹凸说。它认为:表面愈光滑,摩擦面愈是互相接近,表面的分子力影响理当有所增加,这样摩擦力亦增大。这就是最初创立的德萨古利埃的分子说。由于当时加工技术上的原因,分子说一直没有得到实验的证实,在争论中,仍是凹凸说占上风,成为正统的解释。
对分子说开始给予强有力的支持,是进入20世纪以后的事情。一个叫尤因的人首先说明因摩擦引起的能量损失,并不在于凹凸高低,而是因固体表面分子引力场的相互干涉所致。但能拿出大量实验数据筑成“分子说”牢固基础的还应归于哈迪的努力。他利用20世纪出现的研磨技术的进步,在实验中发现,把两个物体表面磨光滑,它们之间的摩擦力是可以减小,但是,当表面磨得很光滑时,摩擦力反而有所增加,若将两个磨得很光滑的金属面对合起来,它们能“粘”在一起。这正证实了分子说的见解:二表面的分子进入彼此的分子间的引力圈内,两者间产生强烈的粘合,并作为摩擦力而显示之。哈迪的实验给分子说提供了有力的依据,“分子说”也由此发展至“粘合说”,并获得广泛的承认。但是,哈迪在晚年又脱离了摩擦实验,试图从固体表面力发生作用的场的概念来说明摩擦和粘合,虽经长期努力,终无结果,他于一九三四年在烦恼中去世。
应当指出,凹凸说进入20世纪以来,并不因为分子说和粘合说的进展而作为误论被废弃。它与对立的分子说和粘合说都持之有据,言之成理。究竟应怎样圆满地解释摩擦力的起因本质,这一直是个很活跃的研究课题,有人提出了包含凹凸说内容的综合性的现代粘合论,这能否降下这场争论的帷幕呢?人们将拭目以待。
从表面上看,摩擦是人们最熟悉的一种现象,似乎是老生常谈,尽人皆知,其实到现在为止,不仅摩擦产生的机理要深入探讨研究,就是在更广阔的领域里怎样更好地利用有益的摩擦,减小有害的摩擦,也大有文章可做。可以说,摩擦的研究正方兴未艾。