摩擦力是弹力吗?为什么?

生活小百事通 2024年08月01日 阅读 (63)

怎么解释摩擦力的本质是电磁力?

答:

排除法走一波。自然界四大基本作用力,万有引力,电磁相互作用力,强相互作用力,弱相互作用力。强相互作用力是强子之间的作用力,弱相互作用力是W和Z玻色子的交换引起的,万有引力是有质量物质之间的相互吸引,电磁相互作用力是电和磁的相互作用。肯定不是前三种,所以是最后一种电磁相互作用。

我知道读者肯定不满意上面的回答。那让我们认真分析一波。

摩擦力是一个蛮复杂的力,科学家们至今也没有完全明白摩擦背后的物理机制。

十五世纪达芬奇提出摩擦为物体自重的四分之一,十七世纪法国物理学家艾蒙顿认为摩擦力只与载荷有关,与接触面积无关。后来有一个英国物理学家提出摩擦起源于分子间的粘附力的作用。到了十八世纪,库伦进行了实验,他认为摩擦时凹凸不平的面嵌在一起造成的。

摩擦力是弹力吗?为什么?(1)
图源来自参考资料

二十世纪,Prandtl和Tomlinson提出了Prandtl-Tomlinson模型,这个模型认为:

C和B是两个原子,另外一个原子是D,如果D原子离B原子比较远,D原子从B原子的旁边走近,D原子会把B原子靠近拉,当D原子远离B原子时,B原子又会弹回来。这是一个稳定的过程,没有任何能量消耗,也就不可能有摩擦。

但是,如果这个D原子,离B原子比较近,它走近的时候会把B原子拉过来,离去时候,B原子突然回弹过去引起B原子弹性振动。这就相当于B原子在不断地振动,一旦振动就消耗了能量,就有摩擦损失。

1896年,原子力显微镜被发明,人们可以从原子层面上研究摩擦力的本质,Prandtl-Tomlinson模型基本被证实了。后来超快激光被人们发现,人们又可以进一步研究摩擦过程中声子的耗散,电子耗散以及结构的演变。

总的来说,目前主要认为摩擦力是表面之间的黏附,表面的粗糙程度,表面形变等多种复杂情况组合产生。无论是表面原子间的黏附,还是表面不平整的相互刮蹭,都是分子和原子的相互作用力,其本质就是一种电磁相互作用力。

Hanaor D , Gan Y , Einav I . Static friction at fractal interfaces. Tribology International, 2016, 93:229-238.

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