能否实现真正的“零摩擦”

真正的“零摩擦”能否实现？摩擦的机理两个相对滑动的固体表面摩擦只与接触表面的相互作用有关,而与固体内部状态无关,此称为外摩擦。液体或者气体中各部分之间相对移动而发生的摩擦,称为内摩擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其他表面膜之间的摩擦,也属于外摩擦。外摩擦和内摩擦的共同特征是:一物体或一部分物质将自身的运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物质,并试图使两者的运动速度趋于一致,因而在摩擦过程中发生能量的转换。外摩擦与内摩擦的不同特征在于内部运动状况。内摩擦时流体相邻质点的运动速度是连续变化的,具有一定的速度梯度,而外摩擦是在滑动面上发生速度突变。此外,内摩擦力与相对滑动速度成正比,当滑动速度为零时内摩擦力也就消失,而外摩擦力与滑动速度的关系随工况条件变化,当滑动速度消失后仍有静摩擦力存在。摩擦的基本特性一般认为达•芬奇(LeonadodaVinci)(1452—1519)是第一个提出摩擦基本概念的。在他的启发下，法国科学家Amontons进行实验并建立了摩擦定律。随后‘Coulomb在进一步试验的基础上，发展了Amontons的工作。由这些初期研究得出了四个经典摩擦定律如下:定律一摩擦力与载荷成正比(除了在重载荷下实际接触面积接近表观面积以外，第一定律是正确的)。它的一般形式为F=fW式中，F是摩擦力；f为摩擦系数；W为正压力。上式通常称为库仑定律，可认为它是摩擦系数的定义。定律二摩擦系数与表观接触面积无关(第二定律一般仅对具有屈服极限的材料如金属是满足的，但不适用于弹性及粘弹性材料)。定律三静摩擦系数大于动摩擦系数（这一定律不适用于粘弹性材料,尽管关于粘弹性材料究竟是否具有静摩擦系数还没有定论）。定律四摩擦系数与滑动速度无关（严格地说,第四定律不适用于任何材料,虽然对金属来说基本符合这一规律,而对粘弹性显著的弹性体来说,摩擦系数则明显与滑动速度有关）。虽然根据最近的研究发现大多数经典摩擦定律并不完全正确,但是经典摩擦定律的确在一定程度上反映了滑动摩擦的机理,因此在许多工程实际问题中依然近似地引用。深入的研究表明滑动摩擦还具有以下主要特性。1、静止接触时间的影响使摩擦副开始滑动所需要的切向力称为静摩擦力,而维持滑动持续进行所需要的切向力则是动摩擦力。通常工程材料的动摩擦力小于静摩擦力,粘弹性材料的动摩擦力有时高于静摩擦力。观察发现:静摩擦系数受到静止接触时间长短的影响。如下图所示,接触时间增加将使静摩擦系数增大,对于塑性材料这一影响更为显著。由于摩擦表面在法向载荷作用下,粗糙峰彼此嵌入并产生很高的接触应力和塑性变形,使实际接触面积增加。随着静止接触时间延长,相互嵌入和塑性变形程度都加强,所以静摩擦系数增加。2、跃动现象精细的实验研究证明:干摩擦运动并非连续平稳的滑动,而是一物体相对另一物体断续的滑动,此称跃动现象。当摩擦表面是弹性固定时,跃动现象更为显著。跃动现象是干摩擦状态区别于良好润滑状态的特征。按独时问Ml静摩擦系数与接触时间的关系经典摩擦理论摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。摩擦现象涉及的因素很多,因而提出了各种不同的摩擦理论。机械啮合理论早期的理论认为摩擦起源于表面粗糙度,滑动摩擦中能量损耗于粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹塑性变形,特别是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。下图是Amontons（1699年）提出的最简单的摩擦模型。摩擦力为：F=AF=tan0tan△“F=fW在一般条件下,减小表面粗糙度可以降低摩擦系数。但是超精加工表面的摩擦系数反而剧增。另外,当表面吸附一层极性分子后,其厚度不及抛光粗糙高度的十分之一,却能巨大地减小摩擦力。这些都说明机械啮合作用并非产生摩擦力的惟一因素。分子作用理论随后,人们用接触表面上分子间作用力来解释滑动摩擦。由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生滑动阻力,这称为粘着效应。Tomlinson（1929年）最先用表面分子作用解释摩擦现象。他提出分子间电荷力在滑动过程中所产生的能量损耗是摩擦的起因，进而推导出Amontons摩擦公式中的摩擦系数值。两表面接触时，一些分子产生斥力Pi,另一些分子产生吸力Pp。则平衡条件为工Pp数值很小，可以略去。若接触分子数为n,每个分子的平均斥力为P,则得：W=工Pi=nP在滑动中接触的分子连续转换,即接触的分子分离,同时形成新的接触分子,而始终满足平衡条件。接触分子转换所引起的能量损耗应当等于摩擦力做功,故：fWx=kQ式中,x为滑动位移;Q为转换分子平均损耗功;k为转换分子数,且k=qnxl这里，l为分子间的距离；q为考虑分子排列与滑动方向不平行的系数。将以上各式联立可以推出摩擦系数为f=qQPl应当指出,Tomlinson明确地指出分子作用对于摩擦力的影响,但他提出的公式并不能解释摩擦现象。摩擦表面分子吸力的大小随分子间距离减小而剧增,通常分子吸力与距离的7次方成反比。因而接触表面分子作用力产生的滑动阻力随实际接触面积的增加而增大,而与法向载荷的大小无关。根据分子作用理论应得出这样的结论,即表面越粗糙实际接触面积越小,因而摩擦系数应越小。显然,这种分析除重载荷条件外是不符合实际情况的。如上所述,经典的摩擦理论无论是机械的或分子的摩擦理论都很不完善,它们得出的摩擦系数与粗糙度的关系都是片面的。在20世纪30年代末期,人们从机械-分子联合作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论。在英国和前苏联相继建立了两个学派,前者以粘着理论为中心,后者以摩擦二项式为特征。这些理论奠定了现代固体摩擦的理论基础。“零摩擦”的实现以上介绍了摩擦的基本理论及经典摩擦定理，通过以上理论我们可以分析出如果要实现“零摩擦”，就要避免物体的相互接触、相互运动等，广义上讲是可以实现的，但是进入微观世界，分析磁场力、物体间的相互引力等因素，“零摩擦”是不可能实现的。下面通过介绍几种实现广义实现“零摩擦”的例子：交通方面（主要从摩擦力方面介绍）：长期以来，交通工具有效经济提速的主要思路，一直放在减小摩擦阻力上面。火车通常比汽车跑得快、拉得多、运输成本低，原因之一就是铁轨的摩擦阻力比公路小。然而对于轮式列车，摩擦阻力再小也不能降为零，因此它提速空间有限（最快的高速轮式列车的速度大概在300~400km/h,再高的速度就很难达到了），于是人们又发明了飞机。飞机飞行时根本就没有与路面摩擦阻力的问题，因此飞机的速度比地面交通快多了。然而，飞机在高空飞行需要克服重力,因此虽然速度快,但是燃料消耗大,成本高。于是人们又不断地改进思路,研究了一批低摩擦、高速度、低燃耗的新型交通工具,下面简要介绍几个：气垫船：气垫船通过向船体下方喷射高速高压空气,使船体离开地面。这样,气垫船在运行时与地面摩擦几乎为零,因此它行驶速度快,而且有的气垫船可以水路两栖行驶,适用范围广。磁悬浮列车：磁悬浮列车的思路与气垫船类似,不过它是通过磁场使车体悬浮于铁轨之上,以达到“零摩擦”、高速度的目的。目前磁悬浮列车的速度可以达到500km/h以上。真空管磁悬浮列车：磁悬浮列车仅仅从“零摩擦阻力”的思路出发来提高速度,如果能把“零空气阻力”结合起来,不是就能够实现更高的速度吗？真空管磁悬浮列车的思路就是这样产生的。其想法是：把磁悬浮列车及其轨道都用一个管道完全封闭起来,管道内抽成真空。这样一来,列车运行时既没有摩擦阻力,也没有空气阻力,行驶速度可以达到非常高。据预计,真空管磁悬浮列车的速度可以达到1000km/h以上。正因为如此,真空管磁悬浮列车备受人们关注,四通八达的管道,也成为科幻电影中常见的一景。不过,目前真空管磁悬浮列车仅处于起步论证阶段,讨论它的应用还为时过早。除了磁悬浮列车的技术难题尚未突破之外,真空管本身的适用性、安全性、可行性和经济性等等方面的研究还需要人们长时间的努力和探索。以上三个例子,气垫船和磁悬浮列车可以实现与地面的接触,但是仍然与空气接触存在与空气的摩擦；真空管磁悬浮列车由于在真空管中运行可以实现广义的“零摩擦”,但是如果从微观磁力场考虑,列车与真空管、与地球等等外界物体之间的相互引力也会存在相互的摩擦。实现真正意义上的“零摩擦”是不可能的，但是随着科学的进步，纳米技术的诞生，近几年超低摩擦在摩擦学领域中得到蓬勃发展，超低摩擦集成了量子力学、量子化学、纳米技术、分子动力学，为现代精密、低能耗、长寿命机械设计提供了强有力的摩擦学支撑。随着超低摩擦理论的发展必将想着“零摩擦”更加靠近一步。近几年有一种新的说法：根据量子理论，如果将