为什么最大静摩擦力大于滑动摩擦力

鉴于最近有同学问到滑动摩擦力和静摩擦力的关系的问题，小编询问了很多同学，原来大家在高中阶段都有类似的困惑。当初我的物理老师只是告诉我最大静摩擦力大于滑动摩擦力，但为什么呢？好像也没人深究。既然现在又有好奇宝宝提出来了，我这里找了一些解答仅供参考哦~

既然研究摩擦力，我们首先应该知道摩擦力是如何产生的？这里我们重点讨论固体之间的摩擦力。根据引证最多的文章，谢世汉在《为什么静摩擦系数大于动摩擦系数》中对于滑动摩擦力和静摩擦力的产生以及关系做了一个很详尽的阐述：

固体表面的几何形状取决于加工方法的特性 , 表面的粗糙度是由于表面上有波长很短的凹凸体 ( 或称微凸体 ) 而形成的 , 叫微观粗糙度。还有因加工时刀具的振动而形成的波长很长的不平度 , 叫宏观粗糙度。

图片来源：为什么静摩擦系数大于动摩擦系数,谢世汉

两个摩擦表面相互接触时 , 由于表面上微凸体的高度掺杂不齐 , 因此两表面上的微凸体形成犬牙交错的相互接触 , 这就决定了产生摩擦时有两种基本的表面相互作用 。一种是两个表面压紧时 , 在接触区的某些部分发生粘着 , 这种粘着就是引起摩擦的一种表面相互作用。

另一种是表面微凸体互嵌产生运动阻力的相互作用 , 这时构成摩擦面的材料一定发生变形和位移以适应相对运动脚 。

除此之外，固体表面之间的摩擦力还受到固体表面原子、分子之间相互的吸引力（化学键重组的能量需求，胶力）所影响。

那么问题来了，为什么最大静摩擦力大于滑动摩擦力呢？

两个固体表面静止接触时间在静摩擦中较动摩擦中长得多 。由于接触点上压力较高 , 材料发生弹塑性互相压入 , 接触时间长 , 因塑性流动得到的面积大 , 互相压入的深度也大 , 因此从表面的两种相互作用来看都是随时间而加强的 。这就是使静摩擦系数大于动摩擦系数的原因之一 。

由静止进入相对运动后,材料在变形过程中都受到冷作硬化【2】,材料的硬度有很大的提高,材料的弹塑性变形已具有一定的残余变形的。可以认为表面的性质在静摩擦和动摩擦中不同,因而表面的相互作用不同。

在动摩擦中塑性变形层的绝对厚度是不大的;并且大部分功是用在弹性挤压上面;而且有一部分弹性形变能可以回收,因为当运动时弹性回复力能帮助克服粘着力使致有利于滑动。另一部分弹性能转变成分子振动能而不能回收。这是静摩擦系数大于动摩擦系数的第二个原因。

两个摩擦表面上的微凸体互相压入,在相对运动中一般会产生弹性挤压和塑性挤压,多次重复会招致疲劳破坏,脱落的微粒将夹在两摩擦面之间。

其次是具有分子咬紧现象(或冷焊)的点,在滑动中接点的断开处与材料的分子力有关。如果同种材料的分子力大于异种材料的分子力则在接点处断开；如果同种材料的分子力小于异种材料的分子力,则断开处在强度较弱的材料内部内。如果接点的断开是在摩擦偶件的某一材料内部,这就是摩擦损伤现象,并且出现了材料从一个表面转移到另一个表面,转移的部分经多次形变因疲劳而脱落在两摩擦面之间。

第三是滑动时两摩擦面上的第三覆盖物因挤压变形而脱落的部分也将夹在两摩擦面之间。由于上述原因造成的微粒夹杂在两摩擦面之间,将削弱“粘着”和“微凸体互嵌”的作用同时会造成摩擦面的摩损。

以上就是使动摩擦系数小于静摩擦系数的第三个原因。

【1】弹塑性是指物体在外力施加的同时立即产生全部变形，而在外力解除的同时，只有一部分变形立即消失，其余部分变形在外力解除后却永远不会自行消失的性能。

【2】金属材料在常温或在结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，减少表面层金属变形的塑性，称为冷作硬化。

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那么最大静摩擦力和滑动摩擦力之间的差值受什么因素影响呢？有许多学者设计了一系列实验得出：

（1） 在接触面粗糙程度不变的前提下，最大静摩擦力 fmax与滑动摩擦力 f 的差值 Δf随着正压力变大而变大。

（2） 在 正压力 FN不变的情况下，最大静摩擦力fmax和滑动摩擦力 f 的差值随接触面的粗糙程度 （摩擦系数）增大而增大。

（3） 最大静摩擦力与滑动摩擦力的差值 Δf 随 滑动摩擦力 f（或最大静摩擦力 fmax）增大而增大。

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参考文献：

[1]谢世汉.为什么静摩擦系数大于动摩擦系数[J].江西师范大学学报(自然科学版),1984(02):44-46.

[2]袁菁,徐欣锦,曹玉宝.对摩擦力的再研究——探究最大静摩擦力与滑动摩擦力的相互关系[J].实验教学与仪器,2016,33(Z1):51-52+69.