通过法向振动减小摩擦的实验研究：从频率依赖到统一的振动速度幅值

通过摇动让物体更易滑动

从汽车发动机到电子设备内部的微型机构，摩擦在悄悄浪费能量并加速零件磨损。工程师早就注意到，施加轻微震动可以让表面更容易滑动，但为何有效以及随不同振动形式如何变化，尚不十分清楚。本研究探讨了将一表面上下振动如何在从缓慢颤动到高频嗡鸣的广泛振动速度范围内调控摩擦，并寻找解释这一现象的简单规律。

试验台的构造

为在受控条件下研究摩擦，研究者们搭建了一个紧凑的滑动试验装置。一个小金属圆柱放置在一块方形金属板上，该金属板可以做平滑的周期性上下振动。一条细金属带以恒定速度横向拉动圆柱，而力传感器测量金属带所需的拉力，从而揭示圆柱与板之间的摩擦力。三台激光仪器分别跟踪板的垂直振动速度、横向摆动速度以及圆柱的滑动速度。这一装置使团队在保持滑动运动相同的同时，改变垂直振动的强度和频率。

低频颤动与突发滑移

在低振动频率下，运动更像缓慢的摇动而非嗡鸣，团队发现摩擦只有在滑动本身出现明显的停走行为时才会显著下降。在这些情况下，圆柱会交替粘附在板上然后突然滑动前进，或者摩擦力的方向会短暂翻转。测量显示，当板与圆柱的横向速度相匹配或相交时，这类粘滑现象出现，平均摩擦力下降。如果垂直振动太弱不足以触发这种行为，尽管板在振动，摩擦变化也很小。

平稳滑动下的高频振动

在更高的频率下，达到每秒千次量级，情况有所不同。即便圆柱平稳滑动，没有明显的粘附或摩擦反转，随着垂直振动强度增加，测得的摩擦力仍然下降。通过将振动调谐到接近板的固有共振，研究者可以增强垂直运动，使摩擦接近很小的数值。在最强的高频振动下，计算表明圆柱与板的接触可能会短暂开启和闭合，即便这些极短的分离在力信号中难以直接观测到。

统一的速度尺度贯穿始终

尽管低频和高频情况下表面现象差别明显，团队发现有一个单一指标把它们联系起来：板在峰值时的上下运动速度，称为振动速度。将数据从简单的振幅高度转换为该垂直速度并绘制摩擦关系后，不同频率的结果开始对齐。总体而言，更高的垂直振动速度意味着更低的摩擦，无论变化来自大的慢速运动还是微小的快速振动。具体细节仍依赖于装置参数，但这一垂直速度决定了总体趋势。

从微小接触到日常机械

这些测试中摩擦减小的方式与其他研究小组在用显微镜振动微小接触时观察到的现象相呼应：一旦振动强度超过某一阈值，摩擦可以被驱降到极低水平。这种相似性表明，基于表面分离与再接触速度的相同基本规律，可能从原子尺度一直适用于可见尺度的滑动件。简而言之，表面上下驱动得越快，就越容易破坏那些引起阻力的微观粘结点，使滑动更顺畅且能量损耗更少。

引用: Lu, J., Zhao, Z., Zhao, S. et al. Experimental investigation into friction reduction induced by normal vibration from frequency dependence to unified vibration velocity amplitude. Sci Rep 16, 16003 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-54137-4

关键词: 振动, 摩擦, 摩擦学, 超润滑, 机械系统