摩擦力簡介（Brief Introduction of Friction）

摩擦力簡介（Brief Introduction of Friction）
國立台灣師範大學附屬高級中學物理科陳智勝老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

摩擦力是阻止物體沿介面間的正切方向相對運動的力，可以發生在固體、流體層或材料分子間。摩擦力通常分成幾種形式：

（1）乾摩擦力：阻止固態物體表面相對運動的力。乾摩擦力也可以分成靜摩擦力與動摩擦力兩種。其中靜摩擦力是指兩物體尚未發生相對運動時，物體表面間的阻力。而動摩擦力則是物體已經產生相對運動時，物體表面間的阻力。
（2）潤滑摩擦力：在物體相對運動之間，存在一層流體層，此時所造成的摩擦力。
（3）流體摩擦力：不同的流體層相對流動，彼此間所造成的摩擦力。
（4）表面摩擦力：物體在流體中，受到流體在物體表面拖曳（drag），所造成的摩擦力。
（5）內部摩擦力：物體在形變過程中，內部分子間相對移動所造成的摩擦力。

摩擦力並不是物理學中最基本的作用力，它來自於帶電粒子之間的電磁力，包括電子、質子、原子和分子之間的作用力。摩擦力牽涉到分子尺度的微觀作用力，而又以巨觀尺度的現象表現出來，並不容易以基本的物理定律去計算摩擦力的大小，但摩擦力的大小可以利用實驗得知。

當物體接觸面有相對運動時，摩擦力會將物體的動能，轉換成為熱能。早期解釋動摩擦力的方式，是假想物體間的表面粗糙，因此造成相對運動間的阻力。但目前普遍接受的說法則認為，動摩擦力來自於物體表面的化學鍵。在微米或奈米尺度的表面，物體粗糙程度或接觸面積不會影響動摩擦力的大小。

研究摩擦力的機制，會發現兩物體間的摩擦力有以下法則：

（1）最大靜摩擦力與動摩擦力，和物體間的正向力成正比。
（2）物體間的摩擦力和物體間接觸的面積無關。
（3）動摩擦力和物體運動的速度無關。

不過上述第（2）法則不適用於彈性體，例如大卡車的輪胎寬度通常設計得較寬，理由是因為輪胎所受的壓力會較小，所以輪胎不易形變，可以減少因輪胎形因變造成的阻力。

最早由科學家庫倫（Charles-Augustin de Coulomb）將摩擦力的方程式寫出：

$$F_s\le \mu_sN$$

其中 $$F_s$$ 為靜摩擦力，$$\mu_s$$ 為摩擦力係數，$$N$$ 為物體間接觸的正向力。

這是一個由經驗得到的公式，其中靜摩擦力的最大值為 $$\mu_sN$$，即所謂的最大靜摩擦力。若物體間產生相對運動，則動摩擦力可表示為 $$\mu_kN$$，其中 $$\mu_k$$ 為動摩擦係數。

由這樣的方程式可以發現正向力和動摩擦力成正比，而且與物體間接觸面積無關，此為實驗經驗歸納得到的近似結果，而這簡化的公式可以使我們在處理摩擦力的問題上較為方便。雖然在微觀的物理分析上，摩擦力不是和正向力成線性關係，而且摩擦力和接觸面積也並非毫無關聯，但這樣簡便的近似公式仍然相當實用。

參考資料：
1.維基百科–摩擦力  http://en.wikipedia.org/wiki/Friction