對(duì)摩擦力產(chǎn)生條件等問(wèn)題之我見(jiàn)

譚湘文

【摘 要〗認(rèn)為摩擦力產(chǎn)生條件中“兩物體間必須有相互擠壓即有正壓力”，以及“滑動(dòng)摩擦力與接觸面大小無(wú)關(guān)”，只是就宏觀層面的運(yùn)用所需范圍來(lái)講是正確的，并非絕對(duì)，并進(jìn)行了分析論證。

【關(guān)鍵詞】摩擦力；產(chǎn)生條件；接觸面大??；探析

一、關(guān)于摩擦力產(chǎn)生的條件

教材表述，要產(chǎn)生摩擦力必須同時(shí)具備：①兩物體相互接觸；②接觸面粗糙；③物體間有相互擠壓，即有正壓力；④物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。筆者認(rèn)為，只要具備①、②、④，就能產(chǎn)生摩擦力，不一定要有條件③。分析如下：

（1）兩物體相互接觸，不是完全粘在一起，是可以隨時(shí)分開(kāi)，但可以設(shè)想，既然相互接觸，肯定有些“顆粒”臨時(shí)“粘”在一起，否則就不能稱為接觸?！邦w粒”也許是分子、原子層面，也許更大。

（2）粘的程度有區(qū)別，這就是所謂“光滑”與“粗糙”。接觸面粗糙，可以想象為兩物體的部分“顆?！毕嗷ド钫硨?duì)方，可以理解為“鑲嵌”。

（3）兩物體相互接觸，接觸面粗糙，物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，只要相對(duì)運(yùn)動(dòng)不是使物體分離而不接觸，就一定會(huì)有相互擠壓，會(huì)有摩擦力。這種擠壓是鑲嵌“顆?！敝g的擠壓，不一定與宏觀上的“接觸面”垂直，有可能相切，這時(shí)從宏觀上看，無(wú)“正壓力”，但顆粒間的擠壓存在，也就有摩擦力。如果兩物體相互接觸，接觸面粗糙，物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)都沒(méi)有“顆?！敝g的擠壓，就不能稱為“粗糙”了，沒(méi)有什么實(shí)際意義。當(dāng)然，從宏觀層面的運(yùn)用所需來(lái)講，無(wú)正壓力時(shí)，摩擦力是很小的，可以忽略不計(jì)，但從哲學(xué)思維來(lái)看，并非不存在，否則就有違哲學(xué)原理。

例如，我們沿著比自己舉手略高的磚墻滑下，手和衣服肯定會(huì)受到摩擦，這有多方面原因，可能我們沒(méi)有完全與接觸面相切，墻壁也未必完全垂直地面。但如果我們沿完全垂直于地面的磚墻，與接觸面相切地滑下，手和衣服就不會(huì)摩擦嗎？恐怕你、我都不會(huì)這么認(rèn)為吧，不然從一塊垂直的玻璃墻滑下，與從一塊垂直的磚墻滑下，有什么區(qū)別呢？這就是“光滑”與“粗糙”的區(qū)別吧。這需要嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)下文。

（4）從宏觀層面運(yùn)用來(lái)講，教材上所講的四條沒(méi)有錯(cuò)，但不講清楚上述三點(diǎn)，不便于我們學(xué)生理解。

實(shí)驗(yàn)：無(wú)正壓力時(shí)，兩物體相接觸的粗糙接觸面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力大小，與物體的材料和接觸面粗糙程度有關(guān)。設(shè)定這個(gè)值為A。

假定Ⅰ板為上端中間鉆有圓孔的長(zhǎng)方體板；長(zhǎng)方體套框Ⅱ的中空部分也呈長(zhǎng)方體，中空厚度與Ⅰ同厚，中空寬度略寬于Ⅰ，Ⅱ的材料可與Ⅰ相同也可不同。把Ⅰ板懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，待靜止時(shí)記錄示數(shù)；然后將Ⅱ套在Ⅰ外面，這時(shí)Ⅰ、Ⅱ接觸而無(wú)正壓力，Ⅱ可能靜止也可能下落，記錄彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)；后者示數(shù)減去前者，即為A值。

可以猜想，滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式應(yīng)為Ff = A +μFN，A為無(wú)正壓力時(shí)兩物體相接觸的粗糙接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力值，μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，F(xiàn)N為接觸面的正壓力。這還需要進(jìn)一步的研究。通常情況下A很小，就宏觀層面運(yùn)用來(lái)講，F(xiàn)f =μFN。

二、關(guān)于滑動(dòng)摩擦力與接觸面大小的關(guān)系

教材表述，滑動(dòng)摩擦力與接觸面的大小無(wú)關(guān)。筆者認(rèn)為，滑動(dòng)摩擦力與接觸面的大小并非絕對(duì)無(wú)關(guān)。

我們將一條長(zhǎng)被子在席夢(mèng)思上拖動(dòng)，與將其折疊后拖動(dòng)，或者，我們?cè)谄秸牡厣贤祥L(zhǎng)長(zhǎng)的紅地毯，與將其折疊幾層后拖動(dòng)，哪個(gè)更費(fèi)力？一般都會(huì)感覺(jué)折疊后拖動(dòng)比攤開(kāi)時(shí)拖動(dòng)稍省力。這有多方面原因，難道與面積的變化完全無(wú)關(guān)？雖然可以理解為，面積變大，接觸面的“鑲嵌”點(diǎn)可能增加，但“鑲嵌”深度變小，最終擠壓力產(chǎn)生的摩擦力相等。但是面積可無(wú)限變化而不影響摩擦力嗎？

例如，一塊長(zhǎng)方體鐵塊，一面裝四個(gè)小鐵腳，讓四個(gè)鐵腳著地，與讓另一整面著地，拖動(dòng)時(shí)滑動(dòng)摩擦力會(huì)完全一樣嗎？又例如，自行車后輪的剎車，在完全剎死的情況下，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，但是一塊很小的剎車皮，例如小到釘頭大或?yàn)橐徽瓧l，難道完全剎死也能剎得住車，與一塊大剎車皮產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力一樣大？這有多方面原因，但應(yīng)該還是可以說(shuō)明，接觸面的面積變化足夠大時(shí)，是可以影響摩擦力的。只是在宏觀層面運(yùn)用所需范圍來(lái)講，接觸面面積的變化不會(huì)大到對(duì)滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生明顯影響，與接觸面的大小無(wú)關(guān)。這樣講清楚的話，學(xué)生就不會(huì)有上述類似疑問(wèn)了。接觸面面積變化對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響，也通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，在此不展開(kāi)。

三、關(guān)鍵是理解“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”及兩類摩擦力方向判斷、計(jì)算方法的區(qū)別

（1）相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，“相對(duì)”的是跟它接觸的物體，即把其中一個(gè)物體作為參考系，分析另一個(gè)物體相對(duì)于參考系的運(yùn)動(dòng)，而不是指物體本身的運(yùn)動(dòng)。

（2）碰到摩擦力問(wèn)題，首先要判斷是滑動(dòng)摩擦力，還是靜摩擦力?；瑒?dòng)摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反，大小用公式Ff =μFN計(jì)算。靜摩擦力的方向與接觸面相切，與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反，其方向具有可變性；其大小只能依據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行計(jì)算：若為平衡態(tài)，由平衡條件建立方程求解；若為非平衡態(tài)，可由動(dòng)力學(xué)規(guī)律建立方程求解。最大靜摩擦力與接觸面間的正壓力成正比；一般情況下，可按近似等于滑動(dòng)摩擦力來(lái)處理。