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第14章 变化多端——摩擦力

在日常生活中,摩擦力是比较常见的一种力,与我们的生活息息相关。当一个人行走在路面上的时候,由于鞋底与地面之间存在着摩擦力(即静摩擦力),人不会摔倒。相反,当一个人走在雪地、冰面或比较光滑的地砖上的时候,由于鞋底与“地面”之间存在的摩擦力比较小,稍不留神,就会滑到。由此可见,摩擦力在我们生活中是必不可少的。不仅如此,乘车、打乒乓球等,无一能离得开摩擦力。

曾有科学假设:如果地球上没有摩擦力,人类的生活将会怎样?勿庸质疑,一切运动将会停止,生活将陷入静止和混乱,所以摩擦力对于人类的日常生活是非常重要的。

物体之间要产生摩擦力,就必须具备四个条件:其一,两物体相互接触;其二,两物体相互挤压,发生形变,具有弹力;其三,两物体发生相对运动或相对运动趋势;其四,两物体之间的接触面粗糙。

物体之间只有具备以上四个条件,才会产生摩擦力,四个条件缺一不可。那么,如何定义摩擦力呢?也就是两个互相接触的物体,当它们发生相对运动或有相对运动趋势时,在两个物体的接触面之间有阻碍它们相对运动的作用力,这个力就被称为摩擦力。从本质上来说,摩擦力是由电磁力而引起的。摩擦力不仅是一种接触力,还是一种被动力。不过,值得注意的是,有弹力的地方不一定会产生摩擦力;有摩擦力的地方则一定有弹力。

对于两个发生相对运动的物体来说,是存在摩擦力的。事实上,在两个互相接触但并没有发生相对运动的物体之间同样也存在摩擦力。例如一个人能够站在斜坡上不滑下来,是因为这个人的鞋底与坡有着足够大的摩擦力,使之受力平衡,不至于下滑;我们之所以能够用钉子把两块木板钉在一起,这也是因为钉子与木板之间有足够大的摩擦力。由此可见,任何两个互相接触的物体,且它们的接触面粗糙,只要它们有相对运动或相对运动的趋势,就一定存在摩擦力。

正是这个原因,我们才可以这样说:阻碍互相接触的两个物体之间的相对运动(或者阻碍它们的相对运动趋势)的力叫做摩擦力。

1.为什么要穿鞋底带纹路的鞋子——滑动摩擦力

摩擦力可分为动摩擦力和静摩擦力,动摩擦力又可分为滑动摩擦力和滚动摩擦力。

所谓的滑动摩擦力,指的就是两物体产生相对滑动时产生的摩擦力。

在研究滑动摩擦力的大小与哪些因素有关的实验中,人们往往会用弹簧秤拉木块做匀速直线运动,这是为什么呢?因为弹簧秤测出来的并不是摩擦力的大小,而仅仅是拉力的大小。当该木块在做匀速直线运动的时候,它的水平方向受到的拉力和木板对木块的摩擦力也就是所谓的一对平衡力。以二力平衡的条件为根据,拉力大小应该等于摩擦力的大小。正是这个原因,测出来的拉力的大小与测出来的摩擦力的大小是相等的。

大量的实验说明:滑动摩擦力的大小仅仅与法向正压力FN的大小和接触面的性质(动摩擦因数)有关系。对于相同的接触面而言,法向正压力越大,滑动摩擦力也就越大;对于相同的法向正压力而言,接触面越粗糙,滑动摩擦力也就越大。此外,值得注意的是,摩擦力的大小与物体的表观接触面积根本没有关系。摩擦力的计算公式即正压力与摩擦系数的乘积。

虽然滑动摩擦力是阻碍相互接触物体间相对运动的力,但不一定是阻碍物体运动的力。也就是说,摩擦力不一定是阻力,也可能是使物体运动的动力。在这里,一定要明白,阻碍“相对运动”是以相互接触的物体为参照物的。“物体运动”也可能是以其他物体作为参照物的。例如把一个砝码放在用于实验的木块之上,用弹簧秤拉动木块做匀速直线运动,这时砝码由于受到木块对它的静摩擦力,便会随着木块一起由静止状态转变为运动状态。

就拿具体情况来说,当木块受到拉力而由静止向前运动的时候,砝码相对于木块来说,是要向后滑动的,这样一来,木块就会给砝码施加一个阻碍它向后滑动的摩擦力,而此摩擦力的方向则是向前的。由此可见,砝码相对于木块来说,并没有滑动,这时的摩擦力也就是所谓的静摩擦力。

总而言之,滑动摩擦力的大小与物体间的表观接触面积无关,与物体运动的快慢也无关。

在实际生活中,人们往往为了简化而采用一种“理想化”的做法,例如某物体放在另一物体的光滑的表面上。这里所说的“光滑”是指,如果两个物体发生相对运动,它们之间是不存在摩擦力的。

2.手中的笔为什么不掉下——静摩擦力

生活中,静摩擦力是非常普遍的。例如,拿在手中的杯子、笔不会滑落,就是因为有静摩擦力的存在。线能够织成布,布能够缝制成为衣服,同样是靠纱线之间存在的静摩擦力的作用。除此之外,在生产技术中静摩擦力的应用也非常广泛。

所谓的静摩擦力,指的就是两个相互接触而又相对静止的物体,在外力作用下,它们只具有相对滑动的趋势,而并未发生相对滑动时,它们的接触面之间出现的阻碍发生相对滑动的力。

由此可见,产生静摩擦力必须有三个条件:其一,接触面必须是粗糙的;其二,两个物体互相接触且相互间存在挤压;其三,物体间有相对运动的趋势。

一般情况下,静摩擦力的方向有两种情况:其一,与接触面相切(如果接触面是曲面,则为该曲面的切线方向),并且与物体相对运动趋势的方向是相反的。这里所说的相对是以施加摩擦力的施力物体为参考系的。其二,相对运动趋势方向的判定应该是这样的:假设接触面绝对光滑不存在摩擦力,观察物体的相对运动方向,以此来判定相对运动趋势的方向。

静摩擦力的大小并不是一个定值,而是随着实际情况的改变而改变的。它的大小可以是零和最大静摩擦力之间的任何一个数值。最大静摩擦力也就是使物体由静止变为运动的最小力,也就是静摩擦力的最大值,比使物体刚要运动所需要的最小外力(最小滑动摩擦力)略大一些。

3.滚动轴承为什么很光滑——滚动摩擦力

一物体在另一物体表面做无滑动的滚动或有滚动的趋势时,由于两物体在接触部分受压发生形变而产生对滚动的阻碍作用,这种滚动作用从其实质上来说是滚动摩擦力。两物体接触面越软,形状变化也就越大,滚动摩擦力也越来越大。

通常情况下,物体之间的滚动摩擦力要比滑动摩擦力小得多。滚动摩擦力在交通运输以及机械制造工业上有着非常广泛的应用,我们所熟知的滚动轴承,就是为了减少摩擦力。

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