摩擦力从哪里来?这个问题让科学家愁了几百年。物理题中,常会有这样一个(滥俗的)场景:地面上放了一个箱子,小明不知出于什么动机非要把它拉走。箱子受到几个力的作用:地球在下面吸引它,于是有了向下的重力;地面朝上支持它,于是有了朝上的支持力;小明向左拉它,于是还有个向左的拉力。
以及,由于箱子的下表面接触了地面,于是有了个水平向右的滑动摩擦力(即使箱子未被拉动,只要有向左运动的趋势,依然受水平向右的静摩擦力。)
对摩擦力来源的研究始于15世纪欧洲的文艺复兴时期,当时的代表人物是意大利的达·芬奇;到了18世纪末期,法国的物理学家库仑通过大量的实验研究了摩擦力。这段时期,人们大都认为,物体之间之所以存在摩擦力,是由于相互接触的两物体的接触面是粗糙的,这一理论就是“凹凸说”。
如上图所示,其中一个物体的表面A和另一个物体的表面B都是像锯齿一样凹凸不平的,两个物体接触时,如果两者有相对运动(或者有运动趋势)时,这些“锯齿”就会阻碍物体水平方向上的相对运动,而接触面的粗糙度越大,摩擦力就越大,其对运动物体的阻碍效果就越明显。凹凸说是一种直观明了的解释,可以很好地解释我们生活中遇到的现象。
按照凹凸说的解释,似乎表面越光滑,物体之间的摩擦力就越小。不过,“分子说”并不这么认为。1734年,英国物理学家德萨古利埃曾预言,只要把平面无止境地研磨得很光滑,由于分子间存在相互吸引力,摩擦力迟早会增大的。这种少数派的说法和“凹凸说”相矛盾,而且由于当时科技不发达,无法把物体表面研磨得很光滑,因此“分子说”一直没有得到证实。
进入20世纪,随着表面加工和洁净技术的发展,英国科学家哈迪用实验证明了德萨古利埃的预言,并在“分子说”的基础上形成“现代粘合说”,该理论认为摩擦力实际上是分子-原子力的宏观表现。被打磨过的表面看似很光滑,但用精密仪器仍能检测到表面上存在很多小凸起。两个接触面受压时,其实大部分面积都没有接触,只是这些小凸起被压紧并产生粘连,其物理本质是分子的凝聚力,摩擦力就是从水平方向拉开这些粘连点的阻力。
不过,现代粘合说也并没有解决关于摩擦力的所有问题,相关的研究仍在进行中。到现在为止,我们还只揭示了摩擦力的冰山一角。