摩擦力（英語：frictional force）是指阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，其單位是牛頓（N）。它的方向始終與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反。摩擦力的核心理論包括阿蒙頓摩擦定律、庫侖摩擦定律和凹凸嚙合說等。
根據(jù)物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式和物體的性質(zhì)，摩擦力可以分為固體表面之間的摩擦力（靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力、滾動(dòng)摩擦力、滾壓摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦等）以及其他類型的摩擦力（內(nèi)摩擦力、邊界摩擦、流體摩擦等）。
實(shí)際中，摩擦力既可以做正功和負(fù)功，也可以不做功。人們通過增大有益摩擦和減小有害摩擦，巧妙利用摩擦做功、摩擦生熱和摩擦發(fā)電，使摩擦力在鐵路、汽車、傳送帶、軸承和印刷等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
定義
法向力
法向力是指垂直于物體表面的力，通常由物體的重力和其它垂直于物體表面的力合成而成。是影響摩擦力的重要因素之一。
摩擦系數(shù)
摩擦系數(shù)是表征兩個(gè)物體之間摩擦性質(zhì)的物理量，通常用希臘字母表示。摩擦系數(shù)分為靜摩擦系數(shù)（）和動(dòng)摩擦系數(shù)（），分別對(duì)應(yīng)靜摩擦和動(dòng)摩擦的情況。動(dòng)摩擦系數(shù)（）通常又簡稱為摩擦系數(shù)μ。
摩擦角
摩擦角是指兩個(gè)物體之間即將發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生摩擦力的表面上法向力和摩擦力之間的夾角φ，在這種情況下，摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力。摩擦角的正切值是摩擦系數(shù)。
歷史沿革
亞里士多德（Aristotle）在兩千多年前已經(jīng)認(rèn)識(shí)到摩擦力，并對(duì)其進(jìn)行理論研究。1508年，列奧納多·達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinc）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但他的有關(guān)摩擦的著作直到十九世紀(jì)末才在阿特蘭提庫斯（Cndex Atlanticus）抄本中被發(fā)現(xiàn)。達(dá)·芬奇首次引入了摩擦系數(shù)的概念，并且對(duì)復(fù)合摩擦進(jìn)行研究，得出摩擦力與接觸面積無關(guān)的結(jié)論。
在十七世紀(jì)，摩擦力的研究受到磨的發(fā)展的推動(dòng)，1699年，阿蒙頓（Cuillaume Amontons）通過實(shí)驗(yàn)證明，摩擦引起的阻力僅與壓力成比例，與接觸面積無關(guān)，摩擦阻力大小等于壓力的三分之一，并提出了阿蒙頓干摩擦定律。帕朗（A. Parent）和長城歐拉（Leonhard Euler）引入了摩擦力到力學(xué)體系，分別在靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)中提出了相關(guān)概念，摩擦力產(chǎn)生的機(jī)制也得到研究。1724年，迪卡繆（De Camus）對(duì)摩擦面上涂油能減小摩擦的現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。1734年，德薩古利斯（J. T. Desaguliers），提出了分子說，認(rèn)為摩擦表面的分子力是摩擦力的原因。并在二十世紀(jì)被哈迪（W. Hardy）證實(shí)。1737年，貝利多（BrainfuckdeBelidor）用許多半球粘成的模型當(dāng)作摩擦面，來驗(yàn)證凸凹說。庫侖（Coulomb, Charles Augustin de）匯集了列奧納多·達(dá)·芬奇以來的科學(xué)家的研究成果，并把對(duì)摩擦現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新水平。
在十九世紀(jì)，摩擦力研究聚焦于潤滑，1833年，Arthur Jules Morin 提出了滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦的概念。1842 年，朱利葉斯·羅伯特·梅耶 (Julius Robert Mayer)通過紙漿摩擦產(chǎn)生熱量并測量了溫升。1854年，希倫（G. A. Hirn）提出用空氣代替潤滑油的設(shè)想，金斯伯里（Albert Kingsbury）證明了這一方式。1881年，德國的赫茲（Hertz）在柏林物理學(xué)會(huì)上宣讀了他在彈性體接觸方面的研究成果，并于1881年和1882年先后發(fā)表相關(guān)論文，使摩擦學(xué)理論向前跨越了一大步。1883年，英國的托爾（Beauchamp Tower）發(fā)現(xiàn)潤滑油膜具有高壓力，標(biāo)志著潤滑研究的新階段。同年，俄國彼得羅夫提出了有潤滑的兩同心圓柱體間的摩擦力計(jì)算公式。1886年，雷諾汽車公司（Osborne Reynolds）發(fā)表了“潤滑理論及托爾在實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用”論文，提出雷諾方程，深入研究了潤滑油膜上的壓力，奠定了流體潤滑理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。Stribeck詳細(xì)研究了各種工作變量(如載荷、速度)對(duì)滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的潤滑和摩擦的影響。奠定了潤滑理論的基礎(chǔ)。1896年，空氣軸承得到廣泛展示和應(yīng)用。雷尼（C. Rennie）發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力超過一定值時(shí)，摩擦系數(shù)急劇增大，說明庫侖摩擦定律有前提條件才能成立。
在二十世紀(jì)，摩擦研力究聚焦于摩擦定律的解釋，1907 年，GH Bryan發(fā)表了一篇關(guān)于熱力學(xué)基礎(chǔ)的研究論文《熱力學(xué)：主要涉及第一原理及其直接應(yīng)用的介紹性論文》。1922年，Hardy研究了滑動(dòng)表面的某些部分可能只有一層極淺的潤滑油膜，這時(shí)潤滑劑的作用決定于潤滑劑的化學(xué)成分，而不是其黏度，由此形成了邊界潤滑理論。尤因（J. A. Ewing）首次應(yīng)用分子說解釋摩擦引起的能量損失不是由表面凸凹導(dǎo)致，而是由固體表面分子引力場的相互干擾引起。隨后，托姆林森（G. A. Tomlinson）從分子說的角度證明了庫侖定律，并提供了相應(yīng)的公式。1938年，英國學(xué)者鮑登(Bowden)指出了實(shí)際接觸面積和名義接觸面積的不同，提出了摩擦面間產(chǎn)生焊合“結(jié)點(diǎn)”的原理。1946年，蘇聯(lián)學(xué)者克拉蓋爾斯基(II. B. Kpare.TbCKn)等,提出了新的分子機(jī)械摩擦理論。成為現(xiàn)代摩擦理論的基礎(chǔ)之一。1949年，蘇聯(lián)格魯賓把彈性理論和潤滑理論結(jié)合起來，分析了彈性接觸區(qū)油膜壓力分布問題，提出了彈性液體動(dòng)力潤滑理論。到20世紀(jì)50年代末，英國D. Dowson 等通過電子計(jì)算機(jī)求得了大量數(shù)值解，得到精確計(jì)算油膜厚度的公式，將彈性理論的研究引向高潮。同時(shí)，在此期間，邊界潤滑、靜壓潤滑、潤滑劑等方面的研究也得到了很大進(jìn)展。1966 年，喬斯特(Jost)明確提出“摩擦學(xué)”，即摩擦學(xué)，為現(xiàn)代摩擦學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。原子力顯微鏡（1986）的發(fā)展，使科學(xué)家們進(jìn)一步在原子尺度研究摩擦力。表明，在該尺度上，干摩擦是表面間剪力應(yīng)力和接觸面積的乘積。對(duì)摩擦進(jìn)行更細(xì)致的研究。
產(chǎn)生條件
①物體間相互接觸、有彈力作用；
②物體接觸面粗糙；
③物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。
主要分類
固體表面之間的摩擦力（靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力、滾動(dòng)摩擦力、滾壓摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦等）、其他類型的摩擦力（內(nèi)摩擦力、邊界摩擦、流體摩擦等）。
靜摩擦力
兩個(gè)物體在做宏觀位移前的微觀位移時(shí)，其接觸表面之間產(chǎn)生的摩擦力，稱為“靜摩擦力”。靜摩擦力的方向與運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反。靜摩擦力的大小應(yīng)根據(jù)平衡條件(處于平衡狀態(tài)時(shí))或者牛頓運(yùn)動(dòng)定律(處于加速運(yùn)動(dòng)時(shí))求解，與產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力密切相關(guān)。當(dāng)物體將要發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)這一臨界狀態(tài)時(shí)的摩擦力為最大靜摩擦力，靜摩擦力可在 0 到 間變化。
如在水平面上的物體處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，靜摩擦力f等于拉力F，并隨拉力F的增大而增大，當(dāng)外力F增大到使水平面上的物體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力稱為最大靜摩擦力。
公式：
式中：一正壓力（單位N）
一靜摩擦系數(shù)(是數(shù)值，無單位）
靜摩擦力與接觸面粗糙程度和正壓力等有關(guān)，接觸面越粗糙，最大靜摩擦力越大；正壓力越大，能產(chǎn)生的最大靜摩擦力越大。常用在防止滑動(dòng)和傳送帶運(yùn)輸物品等領(lǐng)域。
滑動(dòng)摩擦力
兩個(gè)互相接觸的物體，當(dāng)它們相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，稱為“滑動(dòng)摩擦力”。滑動(dòng)摩擦力的方向總是沿接觸面，并且與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)一般是使用彈簧測力計(jì)牽引木塊在實(shí)木板上勻速運(yùn)動(dòng)， 通過觀察測力計(jì)示數(shù)，根據(jù)二力平衡得到摩擦力大小。
公式：
式中：一正壓力（單位N）
一動(dòng)摩擦系數(shù)(是數(shù)值，無單位）
動(dòng)摩擦系數(shù)μ是摩擦副系統(tǒng)的綜合特性，受到滑動(dòng)過程中各種因素的影響，例如，材料副配對(duì)性質(zhì)、靜止接觸時(shí)間、法向載荷的大小和加載速度、摩擦副的剛度和彈性、滑動(dòng)速度、溫度狀況、摩擦表面接觸幾何特性和表面層物理性質(zhì)，以及環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用等。
滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度的大小和壓力大小有關(guān)。壓力越大，物體接觸面越粗糙，產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力就越大。
滾動(dòng)摩擦力
物體在力矩的作用下，沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，稱為“滾動(dòng)摩擦力”。在剛體純滾動(dòng)中，滾動(dòng)摩擦力為靜摩擦力，靜摩擦力方向一般不易給出，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。以質(zhì)量為m、半徑為R的勻質(zhì)實(shí)心圓柱體為例進(jìn)行分析，該圓柱體受一水平向右的力F的作用下，在水平面上作純滾動(dòng)，力F的作用線到質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的垂直距離為r。
剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定理
聯(lián)立解得：
式中：
滾動(dòng)摩擦力大小不僅同拉力F有關(guān)，還與體的半徑R以及圓心到水平力F作用線的垂直距離r有關(guān)，當(dāng)R、r為定值時(shí)，靜摩擦力同水平外力F成正比。
(1)當(dāng)時(shí)，，圓柱體不受靜摩擦力，圓柱體靠慣性運(yùn)動(dòng)。
(2)當(dāng)時(shí)，，圓柱體受靜摩擦力同它的運(yùn)動(dòng)方向相同，方向向右。
(3)當(dāng)時(shí)，，圓柱體受靜摩擦力同它的運(yùn)動(dòng)方向相反，方向向左。
(4)當(dāng)時(shí)，，圓柱體不受靜摩擦力。
剛體純滾動(dòng)時(shí)，靜摩擦的大小與方向要視情況來定，基本方法是列動(dòng)力學(xué)方程求解。
其它摩擦力
相關(guān)定律
1699 年，法國科學(xué)家阿蒙頓在列奧納多·達(dá)·芬奇研究基礎(chǔ)上確定了兩條基本的摩擦定律，即摩擦力的第一定律和第二定律。法國科學(xué)家?guī)靵隹隙úl(fā)展了阿蒙頓的工作，提出庫侖定律，即摩擦力的第三定律。
阿蒙頓第一定律
內(nèi)容：滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面之間的法向載荷成正比，第一定律基本上是正確的，但對(duì)某些很硬的材料或極軟的材料（如金剛石、聚四氟乙烯板等）有不符合的情況。
一般形式為：
式中：一摩擦力
一摩擦系數(shù)
一法向載荷
阿蒙頓第二定律
內(nèi)容：滑動(dòng)摩擦力的大小與名義接觸面積無關(guān)。第二定律僅對(duì)有一定屈服極限的材料（如金屬）才能成立，它不適用于彈性材料及黏彈性材料。當(dāng)表面十分光滑和潔凈時(shí)，摩擦力與實(shí)際接觸面積成正比。
庫侖定律
內(nèi)容：滑動(dòng)摩擦力的大小與滑動(dòng)速度無關(guān)。開始滑動(dòng)時(shí)的摩擦力要比保持滑動(dòng)時(shí)的摩擦力大，因此提出兩種摩擦系數(shù)，即靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。近期的研究表明，靜摩擦系數(shù)在靜止接觸的短時(shí)間內(nèi)（f=0~10s）變化較大，而在接觸較長時(shí)間中，摩擦系數(shù)變化較小。動(dòng)摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度有關(guān)，但在單位載荷不同時(shí)，關(guān)系也有不同。
利用與防止
增大有益摩擦
增加表面粗糙度
增加表面的粗糙度可以增大有益摩擦。可以通過在表面上引入微小的凹凸或使用具有粗糙表面的材料來實(shí)現(xiàn)。如汽車防滑輪胎的設(shè)計(jì)等。
選擇適當(dāng)材料
選擇具有適當(dāng)摩擦性質(zhì)的材料可以增加有益摩擦。如選擇自身摩擦系數(shù)較大的材料等。
合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)有益摩擦的結(jié)構(gòu)可以增加有益摩擦。如設(shè)計(jì)剎車系統(tǒng)時(shí)可以采用摩擦制動(dòng)器等。
使用摩擦元件
引入特定的摩擦元件可以增加有益摩擦。如引入摩擦片和摩擦墊片等。
減小有害摩擦
潤滑
通過使用液體潤滑，摩擦副的固體表面可以完全分開，可以減小有害摩擦。摩擦副能保持這種潤滑狀態(tài)，其摩擦系數(shù)就可達(dá)到0.003或更小，從而減小摩擦。潤滑可分為不同類型，包括流體動(dòng)壓潤滑、流體靜壓潤滑、彈性流體動(dòng)壓潤滑、邊界潤滑和干摩擦。正確的潤滑可以顯著減少摩擦系數(shù)。
采用各種物理、化學(xué)或機(jī)械的工藝方法，對(duì)材料表面進(jìn)行處理，可以減小有害摩擦。如表面及化學(xué)熱處理、電鍍及電沉積、堆焊及熱噴涂、高能密度處理和氣相沉積等方法。
選擇適當(dāng)材料
正確選擇摩擦副的材料可以減小有害摩擦。如選擇表面光滑、硬度高以及具有較低的自身摩擦系數(shù)的材料等。
減小接觸應(yīng)力
通過減小物體表面的接觸壓力可以減小有害摩擦。采用滾動(dòng)摩擦替代滑動(dòng)摩擦，如輪子、滾珠軸承和滾子軸承或其他類型的流體軸承等裝置可以將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)楦〉臐L動(dòng)摩擦等。此外，利用磁懸浮原理將兩表面隔離，可以幾乎實(shí)現(xiàn)零摩擦。
合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以減小有害摩擦。結(jié)構(gòu)要有利于形成和恢復(fù)摩擦副間的表面保護(hù)膜，壓力的均勻分布，摩擦熱的散失和磨屑的排出等。
相關(guān)概念
凹凸嚙合說
15世紀(jì)至18世紀(jì)間，科學(xué)家們提出了凹凸嚙合說。這種學(xué)說認(rèn)為：摩擦是由相互接觸的物體表面粗糙不平產(chǎn)生的兩個(gè)物體接觸擠壓時(shí)，接觸面上很多凹凸部分就相互嚙合。如果一個(gè)物體接觸面滑動(dòng)，兩個(gè)接觸面的凸起部分相互碰撞，產(chǎn)生斷裂、磨損，就形成了對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙。
摩擦黏著理論
在英國，從1933年開始，鮑頓和他的學(xué)生對(duì)固體摩擦進(jìn)行了深入的研究，提出了摩擦黏著理論。這種理論認(rèn)為：當(dāng)兩表面相接觸時(shí)，在載荷作用下，某些接觸點(diǎn)的單位壓力很大，這些點(diǎn)將牢固地黏著，使兩表面形成一體，即稱為黏著或冷焊(焊接橋)。當(dāng)一表面相對(duì)另一表面滑動(dòng)時(shí)，黏著點(diǎn)則被剪斷，而剪斷這些黏結(jié)的力就是摩擦力。此外，如果一表面硬一些，則硬表面的粗糙微凸體頂端將會(huì)在較軟表面上產(chǎn)生犁溝，這種犁溝的力也是摩擦力。故摩擦力是兩種阻力之和。
分子-機(jī)械理論
在蘇聯(lián)，從1939年開始，克拉蓋里斯基對(duì)固體摩擦進(jìn)行研究，第一次明確地提出了分子機(jī)械理論。后來在他的著作中不斷地完善了這一理論。摩擦的兩重性即分子-機(jī)械理論認(rèn)為：摩擦是一個(gè)混合過程，它既要克服分子相互作用力，又要克服機(jī)械變形的阻力。摩擦力為發(fā)生在接觸處的總的阻力。
摩擦能
摩擦力做功
摩擦力作為物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力時(shí)，摩擦力對(duì)物體做正功；摩擦力作為物體運(yùn)動(dòng)的阻力時(shí)，摩擦力對(duì)物體做負(fù)功；當(dāng)摩擦力既不是動(dòng)力也不是阻力時(shí)，摩擦力對(duì)物體不做功。一對(duì)靜摩擦力做的功（即作用力與反作用力做的總功）之代數(shù)和為0。一對(duì)滑動(dòng)摩擦力做的功（即滑動(dòng)摩擦力作用力與反作用力做的總功）之和為負(fù)值。
公式：
式中：一摩擦力
一兩物體間相對(duì)位移
摩擦產(chǎn)生熱能
滑動(dòng)摩擦對(duì)物體做功時(shí)必定伴隨著該物體的生熱，從而產(chǎn)生熱能。在古代，人們使用木材和其它可燃材料進(jìn)行鉆木取火。通過在兩塊木材之間施加摩擦力，可以引起木材表面的摩擦并產(chǎn)生熱能。這個(gè)過程中，部分機(jī)械能被轉(zhuǎn)化為熱能，以引燃木材。
摩擦產(chǎn)生電能
摩擦產(chǎn)生電能的一種機(jī)制：當(dāng)兩個(gè)絕緣介質(zhì)在外部機(jī)械能驅(qū)動(dòng)下發(fā)生摩擦，由于摩擦起電效應(yīng)，在兩個(gè)電介質(zhì)接觸的界面會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移；當(dāng)兩者發(fā)生分離，由摩擦電荷建立的靜電場會(huì)由于靜電感應(yīng)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)外部電路中的電子發(fā)生流動(dòng)。隨著兩者不斷發(fā)生摩擦和分離，表面的電荷密度會(huì)逐漸達(dá)到飽和，從而產(chǎn)生電能。
應(yīng)用
鐵路
鐵路運(yùn)輸依賴輪軌相互作用產(chǎn)生的黏著牽引力和黏著制動(dòng)力（摩擦力）來實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行和制動(dòng)。鐵路系統(tǒng)中存在多種摩擦，重要的包括輪軌系統(tǒng)的滾動(dòng)摩擦、電力機(jī)車弓網(wǎng)系統(tǒng)的高速載流滑動(dòng)摩擦、制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦、內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的摩擦、車體與轉(zhuǎn)向架心盤的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦等。解決鐵路系統(tǒng)的摩擦學(xué)問題能夠提高機(jī)車的輸出功率、安全可靠性和使用壽命。
汽車
汽車輪胎胎面的設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，以最大限度地提高摩擦力，確保安全駕駛。在汽車制動(dòng)系統(tǒng)中，摩擦力用于減速或停止汽車。當(dāng)駕駛員踩下剎車時(shí)，制動(dòng)片施加在旋轉(zhuǎn)的車輪上，產(chǎn)生摩擦力，將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使汽車停下來。離合器和制動(dòng)器也利用摩擦來傳遞動(dòng)力和控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)。通過接合或分離摩擦片，可以有效地調(diào)控旋轉(zhuǎn)部件的速度和扭矩。
傳送帶
在皮帶傳動(dòng)中，摩擦力被用來在旋轉(zhuǎn)軸之間傳遞動(dòng)力。傳動(dòng)中，摩擦力使得皮帶能夠緊密地貼附在滾輪上，從而傳遞動(dòng)力。依靠貨物和傳送帶之間存在的摩擦力來移動(dòng)貨物。而在滾動(dòng)輪的滾動(dòng)摩擦則保證了其在軌道上平穩(wěn)滾動(dòng)。
印刷
在印刷工業(yè)中，摩擦力被用來將油墨從印版傳遞到紙張上。墨水因?yàn)槟Σ炼街谟“嫔希?dāng)紙張接觸印版時(shí)，墨水被傳遞，從而形成所需的印刷品。
軸承
在工程應(yīng)用中，軸承通過滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦發(fā)揮傳遞載荷等關(guān)鍵作用，有效提高機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)效率，減少能量損耗，在機(jī)械系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。
參考資料 >
摩擦力.術(shù)語在線.2024-01-19