如果摩擦是表面粗糙度决定的,那为啥橡胶在玻璃上滑动这么难?

关于这个问题,我们先了解下有关摩擦力知识,中学时期我们在力学课上都了解过摩檫力,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,所以生活中我们使用的物品都会刻意去做一些勾痕以增加摩擦力。正如题所问,现在看来摩擦力远不止这么简单。

摩擦力产生的原因

摩擦力是一个物体相对于另一个物体运动的阻力。它不像引力或电磁力那样是一种基本力。相反,科学家认为摩擦力是两个物体相互接触的表面上带电粒子之间的弱电磁吸引引起的,所以这一点就跟材料有很大的关系。而表面粗糙度只是一个因素而已。

物理学家们在15世纪就开始把支配摩擦力的定律拼凑在一起,但由于相互作用非常复杂,描述不同情况下摩擦力的特征通常需要实验得出,不能仅从方程或定律推导出来。

对于每一个关于摩擦的一般规则,都有许多例外。例如,两个粗糙的表面(如砂纸)相互摩擦时会产生更多的摩擦力,而非常光滑的抛光材料(如玻璃板材),如果仔细地清洗掉表面上的所有微尘颗粒,它们可能会非常牢固地粘在一起,并且产生很强的摩擦力。

摩擦类型

摩擦力主要有两种,静摩擦和动摩擦。静摩擦作用于两个相对静止的表面,而动摩擦作用于运动中的物体。

在液体中,摩擦是流体运动层之间的阻力,也称为粘度。一般来说,黏性越大的液体越黏稠,所以蜂蜜比水有更多的液体摩擦力。

固体材料内部的原子也会经历摩擦。例如,如果一块固体金属被压缩,材料内部的所有原子都会移动,产生内摩擦。

在自然界中,不存在完全无摩擦的环境:即使在太空,微小的物质粒子也会相互作用,产生摩擦力。

摩擦系数

两个相互运动的固体会产生动能摩擦。在这种情况下,摩擦是两个物体之间作用的垂直力的一部分(这个部分是由材料的摩擦系数决定的,而这个数是通过实验确定的)。一般来说,动摩擦力与接触面积无关,与两个物体移动的速度无关。

摩擦力也作用于静止的物体。静摩擦阻止物体运动,并且比两个物体相对运动时所产生的动摩擦力大。静摩擦力是使一个箱子在斜坡上不向底部滑动的原因。

摩擦在许多日常过程中起着非常重要的作用。例如,当两个物体摩擦时,摩擦使一些运动能转化为热。这就是摩擦起火的原因。

摩擦也是造成自行车齿轮和其他机械部件磨损的原因。这就是为什么润滑油或液体常被用来减少运动部件之间的摩擦和磨损。

为什么橡胶在玻璃上难以滑动?

根据上文我们知道,摩擦主要不是由表面粗糙度引起的。摩擦是由分子间的弱电磁力引起的,比如氢键和范德华键。如果两个电中性的非极性原子靠得足够近,它们就会相互产生电偶极矩,然后相互吸引。这些弱键导致两个表面接触的物体相互吸引,使得一个物体很难沿着另一个物体滑动。

橡胶雨刮器叶片在干燥的挡风玻璃上移动时,会产生很大的摩擦。相反,雨点打在挡风玻璃上则会干扰电磁引力,减少摩擦。

此外,滑动运动可以在物体接触时产生振动(声子),这会从滑动运动中带走能量,从而减慢物体的速度。因为摩擦主要是由电吸引而不是表面粗糙度引起的,光滑的物体仍然可以有相对较高的摩擦系数。

事实上,光滑物体会经历非常高的摩擦(只要它们的化学结构能表现出显著的电磁力),如果表面粗糙度非常高,那么接触的表面积也会更多。降低表面摩擦力的最好方法是同时解决这两个问题:将表面弄光滑以降低表面粗糙度,然后洒上润滑油,以防止化学键合产生的弱电磁力,如油或石墨。