摩擦(卷名：力学)
friction
互相接触的两个物体，当有相对滑动或有相对滑动的趋势时，在它们接触面上出现的阻碍相对滑动的力。
摩擦对工程技术和日常生活极为重要。摩擦阻碍物体的运动，使运动能量遭受损失，人类生产的总能量有很大一部分就是这样被消耗掉的。因摩擦而损失的机械能转化为热，使机器中许多滑动面必须冷却。同时，摩擦还伴随着表面材料的损失，即发生磨损。磨损使零件的尺寸改变，失去应有的精度和功能。世界上有很大一部分生产力就是用于补充、替换因磨损而变为无用的零件的。因此，人们采取各种减小摩擦的措施，例如在相对滑动的表面上施用润滑剂；用轮子、滚柱和滚珠使滑动改为滚动等。但摩擦也有有用的一面，许多传动与制动设备是通过摩擦起作用的。常用的皮带传动功能就是通过摩擦力实现的；汽车和机车的行驶也要依靠地面和钢轨上的摩擦力。严冬冰雪覆盖路面，有时必须在汽车后轮上加装铁链或在钢轨上喷砂，才能产生足够的摩擦力推动车辆前进。若摩擦力完全消失，则结绳、织布、打钉、执笔以至坐立行走，都将成为不可能。因此，摩擦又是人类生存所不可缺少的。
认识过程 人类对摩擦的认识已有悠久的历史。史前人类就已认识到摩擦的两个方面：钻木取火，即利用摩擦生热；在重物运输中采用润滑剂减小阻力。大约在五千年前就已发明了轮子，这说明当时已经知道，为了克服摩擦，滚动优于滑动。15世纪中叶，达·芬奇已经发现摩擦力F与载荷N成正比，他在当时的实验条件下得出了不精确的结论：对任何材料，比例系数均为1/4，即F＝N/4。对摩擦的动力学研究只是在伽利略发现惯性原理，特别是在I.牛顿发表运动三定律(见牛顿运动定律)以后才有可能。 G.阿蒙通和C.-A.de库仑在大量实验的基础上，1699年和1781年提出如下的摩擦定律：
①互相接触的两个物体间的摩擦力，不超过某一最大值F
，这个最大值与接触面积的大小无关。②摩擦力的最大值和两个物体之间的法向压力N成正比，即
F
＝μN， (1)比例常数μ称为摩擦系数。当两个物体之间只有相对滑动的趋势并未发生滑动时，摩擦力F处于0<F<F之间。③摩擦力的方向与物体相对滑动的方向相反，大小与两个物体之间的法向压力N成正比，用F′和μ′分别代表在开始滑动之后的摩擦力和摩擦系数，则有；
F′=μ′N。 (2)常数μ和μ′分别称为静摩擦系数和动摩擦系数。μ′一般稍小于μ。在一般计算中，通常假定μ′不随相对滑动速度的大小而改变。
上述结论只是粗略的试验规则，但因发现在力学科学的早期，当时就称为摩擦定律，又称库仑定律。
在日常生活或生产中，人们都自觉或不自觉地运用摩擦规律。为了便于在地面上行走，鞋底和地面之间的摩擦系数μ应大于0.2，而在某些打蜡地面上μ可能低到0.15，在冰面上则低到0.05，行走时极易滑例。汽车轮胎和公路路面之间的摩擦系数可以高达0.8，而火车轮箍和钢轨之间的摩擦系数则约为0.2，所以不论开动或刹车，汽车都比火车容易得多。
同摩擦系数μ密切相关的是摩擦角ε，它是当放置在斜面上的物体不会自行下滑时，斜面对于水平面的最大倾角。L.欧拉早就证明了tgε＝μ。可见只须量取斜面的倾角ε，就可得出物体与斜面这一对材料之间的静摩擦系数μ。堆放砂土等松散物料时，自然形成的坡面的倾角不可能大于摩擦角。
机理 摩擦力来源于两个接触表面之间相互的力学作用。一个固体表面，用肉眼看是光滑的，但放大来看却是凹凸不平，好象布满千峰万谷。车床上车制的金属表面，峰高可达5微米，经过仔细研磨，峰高可减至0.1微米，但相对于原子尺度仍然是很大的。所以两个物体接触时，真正接触的只是表面上的峰点。在这些真正的接触区域内，两个接触表面(图中的ΔAr)的原子非常接近，原子间有强烈的相互作用力。这些真正接触的区域称为粘结点。上图表示表面间的接触和粘结点的形成情形。在其他区域，两个表面的原子之间距离较大，从几个埃到几十个埃〔1埃(┱)=10-8厘米〕。这些相距较远的表面原子之间也有弱相互作用力，但可忽略不计。粘结点面积之和是真正的接触面积Ar，它比表观接触面积A小得多。
要使这样接触的两个表面发生相对滑动，势必以剪切方式破坏所有的粘结点。平行于接触表面使粘结点破坏所需要的剪切力，就等于摩擦力。如果粘结点的平均剪切强度为τ，则摩擦力为：
F＝τAr。 (3)
机械加工后的金属表面布满峰和谷，两个表面在接触初期实际上只是点接触，在法向压力N的作用下，这些点的载荷很大，使凸出部分发生弹塑性变形，从而使接触面积增大，形成图中所示的粘结点。坚硬的材料较难变形，即发生等量的变形需要更大的载荷，所以真正的接触面积Ar，与法向压力N成正比，而与材料的硬度H成反比。这里所说的硬度H是指用压入法测定的硬度。理论分析表明，真正的接触面积Ar可以近似地表示为：
Ar＝N/H。 (4)
根据摩擦系数的定义，从式(3)和式(4)可求得摩擦系数μ：
μ＝F/N＝τ/H。 (5)这说明摩擦系数是同接触表面硬度和粘结点的抗剪强度有关的材料常数，而同法向压力、表观接触面积和滑动速度等因素无关。两个接触物体的材料，如果一个较硬，另一个较软，则粘结点的剪切破坏将发生在材料较软的一侧，因此，摩擦系数决定于较软材料的抗剪强度和硬度等性能参量。
实验结果证明，对于一般机械加工的表面，摩擦系数同表面粗糙度无关；对于很粗糙的表面，因接触面上的峰和谷交错啮合，会使摩擦系数增大；对于非常光滑的表面，尤其是特别清洁的表面，由于真正接触面积增大和粘结点粘结强度提高，所以摩擦系数更大。表面越光洁，摩擦系数越大，这是和直觉不同的。
大气中的金属表面，常附有氧化物薄膜，同时还可能吸附其他物质（例如水蒸气），使表面受到沾污。这层薄膜阻碍接触表面的金属原子直接接触，降低粘结点的粘结力，使摩擦系数减小。在大气中，金属的摩擦系数一般均小于1，例如钛对钛的摩擦系数μ为0.45～0.65，对于少数在大气中稳定的软金属（如铟），摩擦系数可高达1.5～2.0。
将金属放在10-5～10-6毫米汞柱(1毫米汞柱=133.322帕)的真空中加热到一定温度，并保持一段时间，除去表面沾污，冷却后测定摩擦系数μ可达5～6。非常清洁的表面互相接触并受到一定的压力，甚至发生粘连，不能滑动，在中国工业中把这种现象通俗地称为咬卡。铁在发生粘连时，粘结点的强度可达63千克力/毫米2(1千克力=9.80665牛顿)，约为铁本体的强度。这又证明摩擦力确是来源于接触表面原子之间的相互力学作用。
有两种常见的摩擦特低的情况：一是在高速滑动时利用流体动力润滑，使相对滑动的两个表面被一层完整的流体膜所分隔，摩擦系数通常是0.001～0.003（见润滑理论）；另一个是利用滚动代替滑动，例如，滚珠轴承的摩擦系数一般在0.002～0.005范围之内。
摩擦振动 动摩擦系数μ′实际上是随相对滑动速度的高低而改变的。在低速滑动时，摩擦力有可能随速度的提高而减小;而在速度提高到某一量值之后，摩擦力却随速度的提高而增大。因此弹性系统在低速滑动时，有可能产生张弛型的摩擦振动，通常称为粘滑交替的振动(发生吱吱嘎嘎的噪声)。一般的规律是润滑不良或无润滑的表面，有产生振动的倾向；而润滑良好的表面不产生振动。摩擦振动在工程中常常是有害的，它不仅降低机构的功能，加剧机件的磨损甚至造成破坏，而且是发生噪声公害的经常性原因，所以须设法加以消除。但是，拉小提琴时发出的乐音，却正是由于摩擦振动。