真正的“零摩擦”能否實(shí)現(xiàn)？摩擦的機(jī)理兩個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的固體表面摩擦只與接觸表面的相互作用有關(guān),而與固體內(nèi)部狀態(tài)無(wú)關(guān),此稱為外摩擦。液體或者氣體中各部分之間相對(duì)移動(dòng)而發(fā)生的摩擦,稱為內(nèi)摩擦。而邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦是吸附膜或其他表面膜之間的摩擦,也屬于外摩擦。外摩擦和內(nèi)摩擦的共同特征是:一物體或一部分物質(zhì)將自身的運(yùn)動(dòng)傳遞給與它相接觸的另一物體或另一部分物質(zhì),并試圖使兩者的運(yùn)動(dòng)速度趨于一致,因而在摩擦過(guò)程中發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換。外摩擦與內(nèi)摩擦的不同特征在于內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀況。內(nèi)摩擦?xí)r流體相鄰質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度是連續(xù)變化的,具有一定的速度梯度,而外摩擦是在滑動(dòng)面上發(fā)生速度突變。此外,內(nèi)摩擦力與相對(duì)滑動(dòng)速度成正比,當(dāng)滑動(dòng)速度為零時(shí)內(nèi)摩擦力也就消失,而外摩擦力與滑動(dòng)速度的關(guān)系隨工況條件變化,當(dāng)滑動(dòng)速度消失后仍有靜摩擦力存在。摩擦的基本特性一般認(rèn)為達(dá)?芬奇(LeonadodaVinci)(1452—1519)是第一個(gè)提出摩擦基本概念的。在他的啟發(fā)下，法國(guó)科學(xué)家Amontons進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并建立了摩擦定律。隨后‘Coulomb在進(jìn)一步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了Amontons的工作。由這些初期研究得出了四個(gè)經(jīng)典摩擦定律如下:定律一摩擦力與載荷成正比(除了在重載荷下實(shí)際接觸面積接近表觀面積以外，第一定律是正確的)。它的一般形式為F=fW式中，F(xiàn)是摩擦力；f為摩擦系數(shù)；W為正壓力。上式通常稱為庫(kù)侖定律，可認(rèn)為它是摩擦系數(shù)的定義。定律二摩擦系數(shù)與表觀接觸面積無(wú)關(guān)(第二定律一般僅對(duì)具有屈服極限的材料如金屬是滿足的，但不適用于彈性及粘彈性材料)。定律三靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)（這一定律不適用于粘彈性材料,盡管關(guān)于粘彈性材料究竟是否具有靜摩擦系數(shù)還沒(méi)有定論）。定律四摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)（嚴(yán)格地說(shuō),第四定律不適用于任何材料,雖然對(duì)金屬來(lái)說(shuō)基本符合這一規(guī)律,而對(duì)粘彈性顯著的彈性體來(lái)說(shuō),摩擦系數(shù)則明顯與滑動(dòng)速度有關(guān)）。雖然根據(jù)最近的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)經(jīng)典摩擦定律并不完全正確,但是經(jīng)典摩擦定律的確在一定程度上反映了滑動(dòng)摩擦的機(jī)理,因此在許多工程實(shí)際問(wèn)題中依然近似地引用。深入的研究表明滑動(dòng)摩擦還具有以下主要特性。1、靜止接觸時(shí)間的影響使摩擦副開(kāi)始滑動(dòng)所需要的切向力稱為靜摩擦力,而維持滑動(dòng)持續(xù)進(jìn)行所需要的切向力則是動(dòng)摩擦力。通常工程材料的動(dòng)摩擦力小于靜摩擦力,粘彈性材料的動(dòng)摩擦力有時(shí)高于靜摩擦力。觀察發(fā)現(xiàn):靜摩擦系數(shù)受到靜止接觸時(shí)間長(zhǎng)短的影響。如下圖所示,接觸時(shí)間增加將使靜摩擦系數(shù)增大,對(duì)于塑性材料這一影響更為顯著。由于摩擦表面在法向載荷作用下,粗糙峰彼此嵌入并產(chǎn)生很高的接觸應(yīng)力和塑性變形,使實(shí)際接觸面積增加。隨著靜止接觸時(shí)間延長(zhǎng),相互嵌入和塑性變形程度都加強(qiáng),所以靜摩擦系數(shù)增加。2、躍動(dòng)現(xiàn)象精細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究證明:干摩擦運(yùn)動(dòng)并非連續(xù)平穩(wěn)的滑動(dòng),而是一物體相對(duì)另一物體斷續(xù)的滑動(dòng),此稱躍動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)摩擦表面是彈性固定時(shí),躍動(dòng)現(xiàn)象更為顯著。躍動(dòng)現(xiàn)象是干摩擦狀態(tài)區(qū)別于良好潤(rùn)滑狀態(tài)的特征。按獨(dú)時(shí)問(wèn)Ml靜摩擦系數(shù)與接觸時(shí)間的關(guān)系經(jīng)典摩擦理論摩擦是兩個(gè)接觸表面相互作用引起的滑動(dòng)阻力和能量損耗。摩擦現(xiàn)象涉及的因素很多,因而提出了各種不同的摩擦理論。機(jī)械嚙合理論早期的理論認(rèn)為摩擦起源于表面粗糙度,滑動(dòng)摩擦中能量損耗于粗糙峰的相互嚙合、碰撞以及彈塑性變形,特別是硬粗糙峰嵌入軟表面后在滑動(dòng)中形成的犁溝效應(yīng)。下圖是Amontons（1699年）提出的最簡(jiǎn)單的摩擦模型。摩擦力為：F=AF=tan0tan△“F=fW在一般條件下,減小表面粗糙度可以降低摩擦系數(shù)。但是超精加工表面的摩擦系數(shù)反而劇增。另外,當(dāng)表面吸附一層極性分子后,其厚度不及拋光粗糙高度的十分之一,卻能巨大地減小摩擦力。這些都說(shuō)明機(jī)械嚙合作用并非產(chǎn)生摩擦力的惟一因素。分子作用理論隨后,人們用接觸表面上分子間作用力來(lái)解釋滑動(dòng)摩擦。由于分子的活動(dòng)性和分子力作用可使固體粘附在一起而產(chǎn)生滑動(dòng)阻力,這稱為粘著效應(yīng)。Tomlinson（1929年）最先用表面分子作用解釋摩擦現(xiàn)象。他提出分子間電荷力在滑動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的能量損耗是摩擦的起因，進(jìn)而推導(dǎo)出Amontons摩擦公式中的摩擦系數(shù)值。兩表面接觸時(shí)，一些分子產(chǎn)生斥力Pi,另一些分子產(chǎn)生吸力Pp。則平衡條件為工Pp數(shù)值很小，可以略去。若接觸分子數(shù)為n,每個(gè)分子的平均斥力為P,則得：W=工Pi=nP在滑動(dòng)中接觸的分子連續(xù)轉(zhuǎn)換,即接觸的分子分離,同時(shí)形成新的接觸分子,而始終滿足平衡條件。接觸分子轉(zhuǎn)換所引起的能量損耗應(yīng)當(dāng)?shù)扔谀Σ亮ψ龉?故：fWx=kQ式中,x為滑動(dòng)位移;Q為轉(zhuǎn)換分子平均損耗功;k為轉(zhuǎn)換分子數(shù),且k=qnxl這里，l為分子間的距離；q為考慮分子排列與滑動(dòng)方向不平行的系數(shù)。將以上各式聯(lián)立可以推出摩擦系數(shù)為f=qQPl應(yīng)當(dāng)指出,Tomlinson明確地指出分子作用對(duì)于摩擦力的影響,但他提出的公式并不能解釋摩擦現(xiàn)象。摩擦表面分子吸力的大小隨分子間距離減小而劇增,通常分子吸力與距離的7次方成反比。因而接觸表面分子作用力產(chǎn)生的滑動(dòng)阻力隨實(shí)際接觸面積的增加而增大,而與法向載荷的大小無(wú)關(guān)。根據(jù)分子作用理論應(yīng)得出這樣的結(jié)論,即表面越粗糙實(shí)際接觸面積越小,因而摩擦系數(shù)應(yīng)越小。顯然,這種分析除重載荷條件外是不符合實(shí)際情況的。如上所述,經(jīng)典的摩擦理論無(wú)論是機(jī)械的或分子的摩擦理論都很不完善,它們得出的摩擦系數(shù)與粗糙度的關(guān)系都是片面的。在20世紀(jì)30年代末期,人們從機(jī)械-分子聯(lián)合作用的觀點(diǎn)出發(fā)較完整地發(fā)展了固體摩擦理論。在英國(guó)和前蘇聯(lián)相繼建立了兩個(gè)學(xué)派,前者以粘著理論為中心,后者以摩擦二項(xiàng)式為特征。這些理論奠定了現(xiàn)代固體摩擦的理論基礎(chǔ)?！傲隳Σ痢钡膶?shí)現(xiàn)以上介紹了摩擦的基本理論及經(jīng)典摩擦定理，通過(guò)以上理論我們可以分析出如果要實(shí)現(xiàn)“零摩擦”，就要避免物體的相互接觸、相互運(yùn)動(dòng)等，廣義上講是可以實(shí)現(xiàn)的，但是進(jìn)入微觀世界，分析磁場(chǎng)力、物體間的相互引力等因素，“零摩擦”是不可能實(shí)現(xiàn)的。下面通過(guò)介紹幾種實(shí)現(xiàn)廣義實(shí)現(xiàn)“零摩擦”的例子：交通方面（主要從摩擦力方面介紹）：長(zhǎng)期以來(lái)，交通工具有效經(jīng)濟(jì)提速的主要思路，一直放在減小摩擦阻力上面?；疖?chē)通常比汽車(chē)跑得快、拉得多、運(yùn)輸成本低，原因之一就是鐵軌的摩擦阻力比公路小。然而對(duì)于輪式列車(chē)，摩擦阻力再小也不能降為零，因此它提速空間有限（最快的高速輪式列車(chē)的速度大概在300~400km/h,再高的速度就很難達(dá)到了），于是人們又發(fā)明了飛機(jī)。飛機(jī)飛行時(shí)根本就沒(méi)有與路面摩擦阻力的問(wèn)題，因此飛機(jī)的速度比地面交通快多了。然而，飛機(jī)在高空飛行需要克服重力,因此雖然速度快,但是燃料消耗大,成本高。于是人們又不斷地改進(jìn)思路,研究了一批低摩擦、高速度、低燃耗的新型交通工具,下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)：氣墊船：氣墊船通過(guò)向船體下方噴射高速高壓空氣,使船體離開(kāi)地面。這樣,氣墊船在運(yùn)行時(shí)與地面摩擦幾乎為零,因此它行駛速度快,而且有的氣墊船可以水路兩棲行駛,適用范圍廣。磁懸浮列車(chē)：磁懸浮列車(chē)的思路與氣墊船類似,不過(guò)它是通過(guò)磁場(chǎng)使車(chē)體懸浮于鐵軌之上,以達(dá)到“零摩擦”、高速度的目的。目前磁懸浮列車(chē)的速度可以達(dá)到500km/h以上。真空管磁懸浮列車(chē)：磁懸浮列車(chē)僅僅從“零摩擦阻力”的思路出發(fā)來(lái)提高速度,如果能把“零空氣阻力”結(jié)合起來(lái),不是就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的速度嗎？真空管磁懸浮列車(chē)的思路就是這樣產(chǎn)生的。其想法是：把磁懸浮列車(chē)及其軌道都用一個(gè)管道完全封閉起來(lái),管道內(nèi)抽成真空。這樣一來(lái),列車(chē)運(yùn)行時(shí)既沒(méi)有摩擦阻力,也沒(méi)有空氣阻力,行駛速度可以達(dá)到非常高。據(jù)預(yù)計(jì),真空管磁懸浮列車(chē)的速度可以達(dá)到1000km/h以上。正因?yàn)槿绱?真空管磁懸浮列車(chē)備受人們關(guān)注,四通八達(dá)的管道,也成為科幻電影中常見(jiàn)的一景。不過(guò),目前真空管磁懸浮列車(chē)僅處于起步論證階段,討論它的應(yīng)用還為時(shí)過(guò)早。除了磁懸浮列車(chē)的技術(shù)難題尚未突破之外,真空管本身的適用性、安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性等等方面的研究還需要人們長(zhǎng)時(shí)間的努力和探索。以上三個(gè)例子,氣墊船和磁懸浮列車(chē)可以實(shí)現(xiàn)與地面的接觸,但是仍然與空氣接觸存在與空氣的摩擦；真空管磁懸浮列車(chē)由于在真空管中運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)廣義的“零摩擦”,但是如果從微觀磁力場(chǎng)考慮,列車(chē)與真空管、與地球等等外界物體之間的相互引力也會(huì)存在相互的摩擦。實(shí)現(xiàn)真正意義上的“零摩擦”是不可能的，但是隨著科學(xué)的進(jìn)步，納米技術(shù)的誕生，近幾年超低摩擦在摩擦學(xué)領(lǐng)域中得到蓬勃發(fā)展，超低摩擦集成了量子力學(xué)、量子化學(xué)、納米技術(shù)、分子動(dòng)力學(xué)，為現(xiàn)代精密、低能耗、長(zhǎng)壽命機(jī)械設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的摩擦學(xué)支撐。隨著超低摩擦理論的發(fā)展必將想著“零摩擦”更加靠近一步。近幾年有一種新的說(shuō)法：根據(jù)量子理論，如果將