摩擦力的原理是什麼？
#考完試回來發現千贊了，真的沒想到這麼一個答案能有這麼多贊，畢竟這個問題其實並不是我的專業對口。為了感謝大家，最後補充了嘯叫的機理。有評論希望發參考文獻，但是這些內容其實都是基礎的摩擦學原理，只要翻閱摩擦學的教材就可以了。
和大多數人想像的不同,摩擦力的機理至今為止沒有一個足夠好的理論來解釋,雖然存在大量的不同摩擦理論,但是都存在不同程度的問題.不過這不影響工業界使用一些近似的理論進行工程上的開發,但是在科學上,就我目前所了解到的情況來看,這應該還是一個待解決的問題.
對於宏觀的,具有屈服強度的非粘性材料(通常就是金屬),在界面上沒有介質影響的情況下的摩擦(干摩擦)在實驗上大致的有這麼幾條規律,其中有三條是我們在高中學過的:- 靜摩擦係數大於動摩擦係數
- 摩擦係數與接觸面積無關
- 摩擦力大小與滑動速度無關
還有我們沒見過的三條:
- 靜止接觸時間越長,靜摩擦係數越大
- 滑動摩擦不是連續發生而且存在躍動
- 靜摩擦存在一個預位移(發生靜摩擦時會產生一個微小的位移)
這其中,第三條我們在日常生活中是無法觀察到的,第一條很少能直觀的觀察到(因為生活中很少有滿足要求的金屬物品),而第二條則很常見:用一支粉筆,把底面磨平,在一個光滑表面直立摩擦,就能聽見響亮的嘯叫,這就和躍動有關;又比如汽車剎車的時候,也能聽見來自摩擦躍動的嘯叫.
前面也提到了,為了解釋摩擦現象,存在著大量的摩擦理論,我們這裡只簡要介紹同以上六條實驗規律相關的幾種常見的摩擦理論.
首先是上面答主提到的機械嚙合理論,這也是一般高中老師會提到的理論,這種理論認為是材料表面的粗糙不平導致了摩擦的存在,具體的說,是由於材料表面凸起與凹陷的耦合,碰撞,以及經常提到的犁溝效應,即材料表面的凸起引起對面表面的凹陷,產生力的作用.
在對分子間作用力有一定了解之後,人們提出了分子作用理論,該理論的基本想法是固體間接觸的部分存在分子間作用力,當表面滑動的時候,分子直接接觸分離,前後的勢能差導致了摩擦力的存在.
分析模型可以知道,該摩擦力大小與分子分離數成正比,與分離能成正比,從而與接觸面積成正比.因為分子分離能對位置高度敏感,可猜測摩擦力與壓力基本無關.根據該模型的預測,摩擦力與接觸面積成正比,與粗糙程度成負相關,與壓力基本無關.很顯然這個模型和上面的六個實驗現象並不符合.
1945年提出的粘著摩擦模型結合了上面兩種理論(這個時候相對論和量子力學都建立很久了),要點如下:- 接觸面表面處於屈服狀態
也就是說,由於表面粗糙,接觸面很小,接觸壓強很大,那麼直接假設接觸點屈服,是合理的,此時接觸點壓強就等於屈服壓強,可知接觸面積與壓力成正比.
這裡就解決了分子作用模型對摩擦力與摩擦面積和壓力預言與實驗結果的矛盾問題了.
- 滑動摩擦中存在粘著和滑動的交替作用
動摩擦過程中由於接觸點放熱等原因,會發生接觸點粘著(可以理解成焊接在一起),隨後又會因為摩擦力使得接觸點剪切形變,開始滑動,從而形成動摩擦的躍動現象
- 摩擦力由包括粘著與犁溝效應在內的多種效應疊加形成的
即使假設了接觸位置屈服,犁溝效應仍然是存在的,並且與兩個接觸面的強度有關.
實際上,通過這個模型,可以推導出兩個強度不同的金屬之間的摩擦因數,如果忽略犁溝效應,可以直接推導出摩擦係數等於剪切屈服壓強/受壓屈服壓強.
這個模型依然有問題,這樣推導出的摩擦係數與實驗結果符合的並不夠好。接下來的修正是對接觸部分的狀態做修正,接觸的位置並不都平行於摩擦力的,如果有傾斜(如機械耦合理論描述的一樣)那麼上面的計算就不正確,修正之後結果與實驗吻合的更好一些.修正後的模型稱為修正粘著模型
到這裡題主的問題就在很小的範圍內被解答了,對於以上所以簡化條件適用的情況下,同時考慮機械作用和分子粘著的修正粘著模型基本可以解釋在這種情況下摩擦力產生的原因.更多的模型需要一本很厚的專著才能介紹完,並且正如我最開始提到的,這個問題,某種程度上仍然是一個未解之謎。這真的是一件非常有趣的事情，人類的科技發展的如此迅速，然而到今天我們沒有這種隨處可見的力的一個良好模型。
PS：本人系物理系學生，摩擦非專業要求，歡迎專業人員打臉。
2016/6/23補充：
對嘯叫的解釋//下面的解釋是匆忙寫的，還沒有來得及整理成更加友好的形式，先湊合看吧。。。。在一些情況下（比如之前解釋的金屬摩擦），摩擦係數並不是同速度無關，而是關於速度的函數，並且是關於速度遞減的。為了分析這個問題，我們使用如下圖的模型
一個點勻速運動，通過一個帶阻尼的彈簧拉動一個水平面上的物塊，物塊與水平面間產生摩擦。首先我們來不嚴謹的定性的分析的一下這個模型：
顯然這個模型中，存在一個平衡點，即物塊運動速度為v1時，同時物塊受力為零。關鍵在於這個點是不是穩定平衡的。假設彈簧的長度比平衡位置短了一點，那麼物塊的摩擦力就大於了拉力，物體開始減速，同時由於u(v)是減的，所以對應u會變大，從而摩擦力變的更大；反之，如果彈簧長了一點，那麼物體速度開始加快，摩擦力開始減小。這兩種效應都使得物體在從偏離平衡位置的點回復時，能夠獲得能量，使這種偏離加大。如果這個效應足夠強，這麼一個模型中的物體完全可能會發生自激振蕩。嚴格的說明還是需要計算。為了簡化形式，在與地面相對速度為v1的參考系裡處理，有運動方程：
簡單粗略地說說。
摩擦的本質是電磁力。靜摩擦力和滑動摩擦力一方面來源於接觸面的粗糙，另一方面也跟分子間作用力有關。
接觸面微小的凹凸處的「咬合」會阻礙兩個物體作相互運動。而近乎完全光滑的接觸面甚至可能產生更大的阻力，比如兩塊壓在一起的光滑金屬板。這是因為接觸面的光滑導致分子或原子間的距離變得很小。滾動摩擦是一種力矩，而不是單純的力。滾動摩擦力矩來源於相接觸的物體的形變。比如下圖這個例子：
看了 @Coulson Raymond 的答案，寫的非常詳細。不過他寫的都是干摩擦的規律。比如：
- 摩擦係數與接觸面積無關；
- 摩擦力大小與滑動速度無關；
但是，摩擦力分很多種，也不是所有摩擦都滿足上面的規律，例如液體和固體之間的表面摩擦，它和相對速度的二次方相關。我寫一個答案作為補充吧。
首先，摩擦力不是一種基本力。
基本力是現代物理學的概念。現代物理學不使用力的概念，現代物理學一般用場和相互作用的概念，我們把力叫做物體之間的相互作用。已知有四種相互作用——引力相互作用，電磁相互作用，強相互作用和弱相互作用。後兩種我們生活中都接觸不到，只有到比原子核尺度更小的情況下才會遇到。
摩擦力是電磁相互作用的宏觀表現。
既然不是一種基本力，它的外在表現，用近似的數學公式描寫就行。我們對摩擦力在不同物理條件下進行研究，可以得到各種數學描述。摩擦力一般可以分為以下幾種：
- 干摩擦：阻礙相互接觸的固體表面的相對運動。又分為靜摩擦和動摩擦。 @Coulson Raymond 的答案中已經詳細描寫了這種情況下的摩擦力規律。
- 液體摩擦：描述粘性流體表面之間相對運動的阻力。一般用粘度來描述液體之間的阻力。除了超流（一種量子現象），任何真實流體都有自己的粘度。生活中的河流內部都是有摩擦力的。
- 潤滑摩擦：兩個固體表面之間潤滑液體的摩擦力。工程中，為防止固體之間的磨損，會在固體之間加上潤滑劑。所以這方面的研究也很重要。
- 表面摩擦：阻礙流體流過固體的表面的阻力。這種力的大小和接觸固體的面積和速度都相關。
- 內部摩擦：阻礙固體內部產生形變的阻力。防止固體產生形變的力就是內部摩擦力。
摩擦學是工程方面重要的學科，我們的汽車工業，航空航天，都會涉及到摩擦力。以上每種摩擦力我只寫了一個簡介，讓你了解的更全面。每種摩擦力都有特定的數學描述，如果你從事相關的工程應用的研究，你需要研讀這方面專門的文獻。
先簡單說兩句佔個坑。等期末考試考完可能再來補充。
上面幾個高票答案從微觀上嘗試解釋了摩擦的機制，鑒於我這幾天正在複習熱力學，我就試著從宏觀的角度來看看摩擦吧。首先，摩擦和摩擦力是什麼關係？
摩擦是一種現象，摩擦力只是我們在一些問題中為了方便描述這種現象而引入的一種等效力。（就如同我們在非慣性系中引入慣性力一樣）摩擦現象存在的本質原因是因為電磁力，因此，說摩擦力的本質是電磁力也不無道理。
摩擦，屬於熱力學中的「遲滯現象」。（磁滯回線也屬於遲滯現象。特別需要加以區分的是，液體粘滯不屬於遲滯現象。）遲滯現象的特點是，無法用准靜態過程來描述，無論發生得多慢。遲滯現象的本質，簡單地說是微觀上的突變過程，表現為不光滑的勢函數。遲滯的熱力學過程一定是不可逆過程，而且是無論將尺度取為多小都不可逆的熱力學過程。（當然，熱力學本質上還是描述宏觀的學科，肯定不能取到單原子的尺度。只能說，熱力學適用的最小尺度是「相比宏觀極小，相比微觀極大」）再往下我也不敢胡說了。等以後有時間再補充吧。從工業應用和摩擦學的角度來講講，先看干接觸，上兩張圖
這就是一個工程表面的表面形貌，這個表面的粗糙度值是0.4um。一維的表面粗糙度是這樣：
可以看到真實表面有很多粗糙峰，當兩個接觸表面有相對滑動時（或滑動的趨勢時）粗糙峰間的相互嚙合、碰撞和彈塑性變形會產生摩擦力，這就是最早的機械嚙合理論。一般的工業應用中這個理論是適用的，降低表面粗糙度能夠有效減小摩擦力，降低疲勞磨損。例如風電齒輪，需要將表面粗糙度加工到0.2um左右才能夠滿足使用要求。但是一些情況下超精加工的表面摩擦係數反而劇增，可見機械嚙合作用不是產生摩擦力的唯一因素。
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以下這一部分主要參考摩擦學原理（溫詩鑄 黃平 著，第四版）
分子作用理論認為分子的活動性和分子力作用使得固體黏附在一起從而產生滑動阻力，分子間電荷力在滑動過程中產生的能力損耗是摩擦的起因。
粘著摩擦理論是上世紀三十年代，從機械-分子聯合作用的觀點發展起來的固體摩擦理論，同時也奠定了現代固體摩擦的理論基礎。主要有一下三個要點：
1.摩擦表面處於塑性接觸狀態
由於實際接觸面積只佔表觀接觸面積的很小部分， 在載荷作用下接觸峰點處的應力達到受壓的屈服極限而產生塑性變形。此後，接觸點的應力不再改變，只能依靠擴大接觸面積來承受繼續增加的載荷。
2.滑動摩擦是粘著與滑動交替發生的躍動過程
由於接觸點的金屬處於塑性流動狀態，在摩擦中接觸點還可能產生瞬時高溫，因而使兩金屬產生粘著，粘著結點具有很強的粘著力。隨後在摩擦力作用下，粘著結點被剪切而產生滑動。這樣滑動摩擦就是粘著結點的形成和剪切交替發生的過程。
3.摩擦力是粘著效應和犁溝效應產生阻力的總和
摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，假設粗糙峰的形狀為半圓柱體。這樣接觸面積由兩部分組成：一為圓柱面，它是發生粘著效應的面積，滑動時發生剪切。另一為端面，這是犁溝效應作用的面積，滑動時硬峰推擠軟材料。
基於以上幾點結合黏著修正理論可以得到比較切合實際的摩擦係數。
此外，還有從能量分析的觀點出發的變形能摩擦理論，假設當切向變形能剛好超過法向變形能時出現相對滑動，即
（EN（1/2*彈性模量*正應力^2）=ES（1/2*剪切模量*切應力^2）
此時的摩擦係數為f=sqrt（彈性模量/剪切模量）
--------------------------------------------------------------------------------------再講講潤滑：大部分工業零件都需要在潤滑條件下運行，所以潤滑狀態下的摩擦力受到更多的關注。潤滑劑和工程表面間的相互作用會產生摩擦力，潤滑劑內部也存在摩擦力，以下是牛頓流體流動模型：
以上是宏觀摩擦學方面的一些簡單介紹，微觀摩擦學部分目前了解不多。
未完···
就我目前的了解而言摩擦力並沒有一個完整的數學模型能解釋摩擦力與阻尼類似吧 都是對能量的損耗目前有各種模型描述各種你情況的阻尼 但是均有缺陷（拍拍肩膀）年輕人 未來還靠你啊
物體形變之後恢複本來形狀的特性，本質就是電磁力。
放大物體的表面，都是凹凸坑窪的，凹凸面相互嵌入，與接觸面相切的方向形成很多「卡扣」，需要做功令「卡扣」形變才能解開，而電磁力的作用就是保持「卡扣」的形狀。
在流體中，阻礙運動的既有分子間的電磁力，又有分子的慣性。摩擦力不是一個準確的物理名詞，根本不存在什麼無法解釋或者不能解釋的內容。因為初中物理為了簡單發明的詞，竟然讓很多成人還在用。
下面寫了很多，重點分析了2種被模糊的」摩擦力「的不同解釋。
摩擦力在最初定義時，是簡單定義成一種「機械力」。對於接觸面平行於地面放置的物體，摩擦力產生是因為表面粗糙不平，造成如果兩個物體相對運動的時候，必須將「上面」一個抬高才能動。
這裡有意點出「平行地面」和「上面」，指出的是「最初定義的機械力的摩擦力，其實是在克服重力」。
和重力相關，就是所謂機械力的本質。和重力相關的力還有一個，那就是「浮力」。很有趣吧。
所以初中物理裡面給了一個「不是那麼物理」的「定律」：摩擦力和壓力成正比，並且定義了「摩擦係數」。這根本不是教物理，而是胡扯。
後來也是初中物理，給了一些其他的「接觸產生的力」，都歸類到「摩擦力」，然後說「摩擦力是一種非常複雜的力」。摩擦力按照他們的定義根本不是「一種力，而是很多很多種力。你硬塞到一起去研究，當然非常複雜了。
在此基礎上，竟然又搞出一個」動摩擦力「和」靜摩擦力「的概念來，還有一個結論是靜摩擦力大於動摩擦力。更加離譜了，更加離譜了，更加離譜了。
所謂的」動摩擦力「，就是說物體在運動過程中去測」物體接觸面方向上的力「。這個力難道不還是」抬高「」上面「那個物體的力嗎？
// 根據同學提醒，原文中下面這段寫了慣性，是不正確的，刪除慣性相關描述
為什麼靜摩擦力大於動摩擦力？也很簡單啊，因為動起來以後，被抬高的物體還沒有落到最低就遇到了下一個比較高的點，所以就不需要花大力氣去抬高了。速度高了，落得低的可能性就更小。
這些東東完全不需要到很微觀的層面去分析，只要在放大鏡層面就夠了。不知道為什麼搞到了分子電磁層次。
這裡還要再澄清一點，大氣壓力有時候也會起很大的作用。比如兩塊玻璃壓一起以後，掰開比平行移動要容易得多。很多人解釋摩擦力的時候經常拿玻璃做例子，說足夠平了啊。用放大鏡就能看出玻璃不夠平，玻璃的縫隙里空氣被擠走以後，大氣壓力會壓在玻璃上。如果在真空中做實驗，一下子就能檢驗出來所謂的摩擦力是什麼鬼。
為什麼要單獨舉這個例子？因為這個例子是和上面說的」與重力相關「是兩類東西。
看到了吧，把兩類力放一起然後說複雜得很，是懶惰的表現，是人為的複雜化了。
====2016.6.24====
再延伸一下第一個例子中的討論。評論中提到不少非常好的建議，實在不會用@，所以這裡一併謝過啦。
為了模型簡單，我們用與地面平行和垂直，僅僅考慮重力的作用。這樣的分析中有很多不準確甚至可能誤導的。
這裡首先擴展一下，如果不是重力，而是其他壓力，那麼「抬高」一詞修改為「克服壓力」，向著壓力的方向，這個例子基本可以直接推廣。
評論中有人說到垂直方向的問題，說力的分解不可能在垂直方向上有分量。感謝這位評論者，這裡澄清一下不嚴格的地方。
一般來說，接觸面的微觀不平，直接是垂直接觸的統計百分比不大，大部分是不規則的凹凸接觸，接觸點是斜面。
斜面上相互作用就有了水平和垂直兩個方向的分解。
斜面的接觸面積和斜率決定了力分解的大小。粗糙度在這裡體現出來。
對於絕對剛體，如果有垂直接觸的話，用多大的力也是無法移動的。
對於非剛體，垂直接觸的點上會發生2種結果。一種是變形，即硬把垂直面擠成斜面，一種是斷裂，硬生生把接觸面的材料切下來。所以摩擦力會把地毯上的毛梳順；梳順的地毯摩擦力小（第一種）。所以摩擦力會把鞋底磨平（第二種），經常摩擦的金屬輪子鋥光瓦亮，輪胎剎車片幾百公里就要換。
材料的作用在這兩個作用下就體現出來了。硬軟，韌性，脆性等等都決定了是否容易變形，是否容易斷裂。齒輪磨損、軸承磨損、刀具切削這3個方面是我曾涉及到的，都與摩擦力相關，至今學術界對摩擦機理沒有定論，仔細想想也是，摩擦過程伴隨著熱、電磁、力，還要考慮材料、表面粗糙度還有施力方式，邊界條件太複雜了，而且還要分微觀和宏觀來看，要把所以的摩擦情況統一到一套理論里實在太困難了。我的看法是或許這個問題永遠不會有定論，因為永遠得不到理想的光滑面。所以從做工程的角度看，退而求其次，弄清每個個例里摩擦力的主因就可以了
摩擦力的原理就是電磁相互作用力，即原子核與電子以及原子間電子與電子之間的作用力。
我一直以為是這樣的 AB之間
再往深里學，摩擦力就開始與接觸面積有關係了，就像我們算高處墜物到落地時間是高度差除以速度，高中就開始把重力加速度算進去了，再往後學就算上空氣阻力、空氣動力了，摩擦力也一樣，接觸面積及接觸面的材料都有關係
一開始人們認為摩擦是指兩個物體間表面的凹凸不平直接的碰撞，但發現這並不能解釋摩擦中機械能的損失。現在有一種說法為因為兩個物體分子間靠得太近，所以彼此分不清」敵我」，因分子間作用力互相粘在了一起無法分開，而分開時的「牽扯」造成表面分子的振動而產生熱量。 高中物理競賽生，在某本競賽書上看到的，自認為比較靠譜
摩擦力抗剪！
我比較同意電磁力這一簡單的說法，當然不同的答案其實都對，大家術業有專攻，不同角度而已。
以目前比較了解而且比較簡潔基本的來說，我們認為世界上所有的相互作用有四種，強相互作用，弱相互作用，電磁力，引力。摩擦力本質上歸結為電磁力。當然楊振寧已經發展了弱電統一，但我們基本上還認為是四種就可以了。
隨著基礎物理的研究，這四種力或許會被統一，或許還有新的力，我們對宇宙的認識甚至不如一個小孩子在海邊瞥見了一眼大海，遠遠沒到拾貝殼的程度。摩擦力的原因 既有直接作用色電磁力又有凹凸不平產生的分力。而後者歸於彈性力，彈性力的實質仍是電磁相互作用。（個人理解，歡迎大臉）
屬於分子間的相互作用力吧，感覺和萬有引力一樣
本質是電磁力
摩擦力就相當於很多人心中貓、狗之外的其他動物……當然所有動物都是蛋白質等（電磁力）組成的。但具體的，各種材質，光滑度等等不同的可以分n類，就像牛和螃蟹的差別……有凹凸不平佔主要原因的，也有像金屬一類太光滑反而摩擦大的……
摩擦力現在只能宏觀描述，具體的微觀機理解釋有很多，但是都不能解釋所有的宏觀現象。所以說摩擦力目前人類還沒有完全搞清楚。機械設計摩擦學方面的研究生
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