不同因素對動(dòng)摩擦系數(shù)的影響探究

余凡

摘?要：通過具體的實(shí)驗(yàn)來探究影響不同因素對動(dòng)摩擦因數(shù)的影響，即分別開展變量為溫度、體積和材料的實(shí)驗(yàn)來探究這三種變量對動(dòng)摩擦因數(shù)具體的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的上升，動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)明顯下降;不同材料之間的動(dòng)摩擦因數(shù)變化很大;體積對動(dòng)摩擦因數(shù)沒有明顯的影響。

關(guān)鍵詞：動(dòng)摩擦因數(shù);溫度;體積;材料

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.17.102

0?引言

在中學(xué)階段介紹的動(dòng)摩擦力計(jì)算公式是μ=f/N（f為動(dòng)摩擦力，N為正壓力，下同），但是這個(gè)公式僅僅是一個(gè)粗略計(jì)算摩擦力的經(jīng)驗(yàn)公式[1]，并不能反應(yīng)動(dòng)摩擦因數(shù)受哪些變量的影響，隨著研究的深入，摩擦力的公式會(huì)變得越來越復(fù)雜。動(dòng)摩擦因數(shù)其實(shí)受很多因素的影響，這可以用一個(gè)多元函數(shù)來表示：μ=f（T，ρ，P…）（T為溫度，ρ為密度，P為壓強(qiáng)，下同）。根據(jù)現(xiàn)有公開資料，幾乎沒有具體研究不同變量對動(dòng)摩擦因數(shù)影響的文獻(xiàn)資料。本文根據(jù)這一情況，通過實(shí)驗(yàn)的手段，具體研究接觸物溫度、施壓物體積、不同接觸材料等變量對動(dòng)摩擦因數(shù)的影響，為動(dòng)摩擦因數(shù)的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1?實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)

本文探究三種變量（即溫度、體積和材料）對動(dòng)摩擦因數(shù)的影響，并采用相似的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即安排上下兩個(gè)不同物體，通過測出它們之間的支持力N、摩擦力f，再根據(jù)公式μ=f/N求出動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

1.1?探究溫度對摩擦系數(shù)影響的系統(tǒng)及原理

本實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)溫度分別為：-18℃、常溫（約15℃）、大火加熱鐵板3分鐘（約300℃），讓鐵板在這三個(gè)溫度之間變化。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要的實(shí)驗(yàn)對象是兩塊相同的鐵板。

第一次將兩塊鐵板放入冰箱冷凍柜中足夠久的時(shí)間，目的是使其溫度降為-18℃。然后將一塊鐵板置于水平地面，另一塊水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)上面的鐵板，測出其間的滑動(dòng)摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間的壓力），最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

第二次將兩塊鐵板置于室內(nèi)足夠久的時(shí)間，目的是使其溫度與室溫一致，約為15℃。將一塊鐵板置于水平地面，另一塊水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)上面的鐵板，測出其間的滑動(dòng)摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

第三次將兩塊鐵板置于煤氣灶上，開大火灼燒3分鐘，目的是將鐵板溫度加熱至約300℃。將其置于水平地面，另一塊水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)上面的鐵板，測出其間的滑動(dòng)摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

1.2?探究材料對摩擦系數(shù)影響的系統(tǒng)及原理

本實(shí)驗(yàn)探究的不同材料分別為：木板、鐵板。分別讓木板與鐵板上下疊放并讓它們進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)，通過測出兩板之間的壓力和摩擦力，求出動(dòng)摩擦系數(shù)μ。本實(shí)驗(yàn)主要對象是兩塊鐵板與一塊木板。

第一次將木板置于水平地面上，取一塊鐵板水平放置在木板上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)上面的鐵板，測出其間的滑動(dòng)摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

第二次將一塊鐵板置于水平地面上，取另一塊鐵板水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)上面的鐵板，測出其間的滑動(dòng)摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

1.3?探究體積對摩擦系數(shù)影響的系統(tǒng)及原理

本實(shí)驗(yàn)探究的變量為體積，體積分別為V1（320g砝碼+740g鐵板的體積）與V2（320g紙張+740g鐵板的體積），V2>V1。將不同的物體堆疊在一起，測出其整體所受摩擦力，最終求出動(dòng)摩擦系數(shù)μ。本實(shí)驗(yàn)主要對象為：740g鐵板、320g砝碼、320g紙張。

取重320g的砝碼及鐵板一塊（740g），將砝碼置于鐵板上并固定住，鐵板置于水平地面上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)鐵板，測出摩擦力f，最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

取重320g的紙張及鐵板一塊（740g），將紙張置于鐵板上并固定住，鐵板置于水平地面上，用彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)鐵板，測出摩擦力f，最后根據(jù)公式μ=f/N，求得動(dòng)摩擦系數(shù)μ。

2?數(shù)據(jù)處理方法

每組變量實(shí)驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行五次，以減小偶然誤差，然后將數(shù)據(jù)記錄到Excel表格中，分別求出5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)摩擦因數(shù)μ，最后將5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)摩擦因數(shù)繪制成散點(diǎn)圖。

3?結(jié)果及討論

3.1?溫度對摩擦系數(shù)的影響

經(jīng)過5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出鐵板溫度為-18℃時(shí)，平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.223。

經(jīng)過5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出鐵板溫度為15℃時(shí)，平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.124。

經(jīng)過5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出鐵板溫度約為300℃時(shí)，平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.111。

通過對比3組不同溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)溫度對動(dòng)摩擦因素有明顯的影響。即隨著溫度上升，動(dòng)摩擦因素不斷下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)前設(shè)想的結(jié)果相反，本文設(shè)想溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越活越，接觸面分子接觸碰撞次數(shù)增加，摩擦力應(yīng)該增大。

3.2?材料對摩擦系數(shù)的影響

經(jīng)過5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得出兩塊鋼板之間平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.124。

經(jīng)過5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得出鋼板與木板之間平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.277。

兩塊鋼板的動(dòng)摩擦因數(shù)明顯地比鋼板與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)小，這與本文實(shí)驗(yàn)前的設(shè)想一致，從這兩種材料外表可以明顯的看出：兩塊鋼板之間接觸面與鋼板與木板之間接觸面相比較為光滑，動(dòng)摩擦系數(shù)小。

3.3?體積對摩擦系數(shù)的影響

經(jīng)過5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得出體積為V1時(shí)，物體的平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.252。

經(jīng)過5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得出體積為V2時(shí)，物體的平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.250。

通過兩組不同體積的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，體積對動(dòng)摩擦因數(shù)的影響很小，幾乎沒有影響。本文實(shí)驗(yàn)前設(shè)想體積變大，受到空氣浮力也會(huì)變大，導(dǎo)致接觸面之間的正壓力減小，動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)減小。因空氣密度較小，體積變化也較小，物體所受浮力變化也非常小，正壓力變化不明顯，故動(dòng)摩擦因數(shù)的變化為幾乎不變。

4?結(jié)論

本文開展了三個(gè)不同因素對動(dòng)摩擦因數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)，并都經(jīng)過5組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，最后得出的結(jié)論如下：

（1）溫度對動(dòng)摩擦因數(shù)有明顯的影響，即隨溫度的上升而動(dòng)摩擦因數(shù)下降;

（2）材料對動(dòng)摩擦因數(shù)有明顯的影響，即接觸面粗糙程度不同而動(dòng)摩擦因數(shù)不同。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表現(xiàn)為，鐵板與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)明顯大于鐵板與鐵板間的動(dòng)摩擦因數(shù);

（3）體積對動(dòng)摩擦因數(shù)幾乎沒有影響。

5?展望

根據(jù)本文開展的實(shí)驗(yàn)，初步得出了溫度、體積和材料這三種變量對動(dòng)摩擦因數(shù)的影響。未來，可以從兩個(gè)方面進(jìn)一步探究不同變量對動(dòng)摩擦因素的影響，即：

（1）設(shè)置更多溫度梯度、更多不同材料之間的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究這些變量對動(dòng)摩擦因數(shù)的具體影響;

（2）探究更多變量（如濕度、振動(dòng)和壓強(qiáng)等）對動(dòng)摩擦因數(shù)的具體影響。

參考文獻(xiàn)

[1]方程.費(fèi)恩曼物理學(xué)講義[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.