理解摩擦的本质

诺索诺夫斯基和莫塔扎维。摩擦引起的振动和自组织:滑动接触的力学和非平衡热力学(CRC出版社/Taylor & Francis, 2013，即将出版)

摩擦通常被认为是导致能量不可逆耗散的过程，而磨损被认为是不可逆的劣化。许多科学家和工程师没有意识到，在一定条件下，摩擦可以导致界面上形成新的结构，包括原位摩擦膜和界面上的各种图案。摩擦诱导的自组织在20世纪70- 90年代主要由东欧学者进行研究，尽管这一领域对其他国家的许多摩擦学家来说仍然是陌生的。

摩擦诱导的不稳定性与摩擦诱导的自组织有关。摩擦通常被认为是一种稳定因素;然而，有时摩擦会导致滑动的不稳定，特别是当摩擦与另一个过程耦合时。例如，J. R. Barber对热弹性不稳定性进行了广泛的研究。这些不稳定性源于这样一个事实，即摩擦与热产生相结合，热产生又与材料膨胀相结合，从而产生正反馈。如果摩擦由于随机波动而局部增加，则会产生更多的热量，从而导致界面处的局部法向压力升高，从而增加摩擦。因此，随机波动有增长的趋势，表示不稳定。当摩擦系数随滑动速度的增加而减小时，也出现了类似的情况:滑动速度的小的随机增加导致摩擦阻力的减小和速度的进一步增加。在20世纪90年代发现，即使在摩擦系数恒定的情况下，摩擦弹性动力不稳定性(亚当斯-马丁斯不稳定性)也会发生。不稳定性与自组织有关，因为它们构成了模式形成的主要机制。 At first, a stationary structure loses its stability; after that, vibrations with increasing amplitude occur, leading to a limiting cycle corresponding to a periodic pattern.

给出了摩擦滑动平稳状态的一般变分稳定性判据，其中为熵产率。这个准则是非常强大的，因为它允许在一个一般理论中结合非常多样化的摩擦不稳定性机制。熵S可以包括纯力学、热力学、传热传质、化学反应和其他术语。相关参数的变化(物理上对应于小的随机波动)可以被抑制或扩大。稳定性准则抓住了这一趋势。对于温度T、滑动速度V、法向载荷W恒定的情况，判据可以明显简化。

此外，我们希望将摩擦学中的机械和热力学方法结合起来。从热力学角度看，摩擦和磨损是同一现象的两个方面:滑动过程中不可逆的能量耗散和材料劣化。与任何不可逆性一样，摩擦和磨损都是热力学第二定律的结果。因此，期望摩擦和磨损定律(如库仑定律和阿卡德定律)是从热力学不可逆性原理推导出来的，这是合乎逻辑的。然而，在实践中这是很难实现的。我们建议使用Onsager的不可逆热力学线性化定律结合从本体到界面的渐近过渡来完成这一过程。非平衡(不可逆)热力学对于研究摩擦诱导的自组织也很有用。总的来说，热力学方法在摩擦学中的地位正在增长。

摩擦诱导自组织的领域与新型仿生材料有关，如自润滑、自清洁和自修复材料。这些“智能”材料具有自组织的嵌入式能力，从而具有不同寻常的特性。理解导致自组织的结构-性质关系是设计这些新型材料的关键。值得注意的是，这些材料通常具有分层组织，这使得它们类似于生物材料。

所有这些背景信息使我们从不同的角度来看待摩擦，作为一种物理现象。对于大多数传统的力学教科书来说，库仑干摩擦是一种相当外在的现象，它是在力学本构定律之外，以任意和特别的方式引入的摩擦定律(通常是库仑-阿蒙顿定律)的形式假定的。此外，库仑摩擦定律与力学定律的相容性是值得怀疑的，因为在摩擦力学问题中存在所谓的摩擦悖论或逻辑矛盾。库仑-阿蒙顿定律不被认为是自然的基本定律，而是一个近似的经验法则，而摩擦被认为是不同性质和机制的各种不相关效应的统称，如粘连、断裂和变形，缺乏任何内部的统一性或普遍性。

尽管摩擦力定律在力学中有这种人为的特征，库仑摩擦是一种基本的普遍现象，可以在所有类别的材料和从纳米摩擦学中的纳米牛顿到地震学中的数百万吨的载荷中观察到。在摩擦力的一般性和普遍性与力学和物理学中如何人为地假定摩擦定律之间存在着明显的矛盾。所有这些不同的条件和机制导致相同(或至少相似)的摩擦定律，这是偶然的吗?如果始终如一地使用热力学方法，摩擦和磨损定律可以以更一致的方式引入。

这些关于摩擦的基本性质及其在物理学中的地位的思考，也使我们非常注意地考察摩擦在整个科学史上在物理学中的作用。在亚里士多德的“物理学”时代，摩擦力被视为一种与惯性力同等地位的基本力(没有惯性，任何东西都不会移动，没有摩擦，任何东西都不会停止)。在整个中世纪，惯性力的问题一直是物理学的中心问题之一，直到伽利略最终解决了这个问题，并在17世纪后期由牛顿奠定了现代力学的基础。相比之下，摩擦力通常不被视为自然界的基本力量，在现代力学中变得有些边缘化。将摩擦视为自然的基本力量，在某种程度上恢复了亚里士多德的原始方法。

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该图试图呈现我们工作的三个中心概念:(i)从体到界面的渐近过渡自然导致摩擦与法向力的恒定比，(ii)热力学第二定律导致摩擦系数为正，(iii)如果熵率的稳定性条件满足，则可以形成自组织结构。