统一摩擦瞬态揭示静摩擦起源

摩擦运动比维持运动更难启动，正如推动重物时所体现的那样。静摩擦与动摩擦之间的这种差异驱动了从纳米器件和微机电系统到尖叫的刹车、冰川和构造断层等系统中的不稳定性与粘滑动力学，然而其起源和转变机制仍知之甚少。经验性的速率-状态摩擦定律预测，在静-动摩擦转变过程中，对于纳米/秒的滑移速率，摩擦力增加，但对于微米/秒及以上的速率，摩擦力减小。这些瞬态被认为与静态界面的接触强化(老化)有关，尽管其物理基础尚不明确，且两种状态之间的交叉从未被直接观测到。在这里，我们通过对宏观粗糙表面进行纳米级分辨率的滑动实验表明，这些瞬态是单一、普遍的非单调响应的片段，其峰值定义了静摩擦。我们证明，这种行为源于剪切作用下互锁表面微凸体的机械重组，这与由热分子过程控制的接触老化有根本区别。我们从头推导，且不借助任何经验假设，得到了一个定量描述摩擦峰值的微分方程。这些结果统一了跨尺度和速度的摩擦瞬态，并为理解工程和地球科学中的摩擦不稳定性和失效过程建立了一个基于物理的框架。