對摩擦力產(chǎn)生條件的再質(zhì)疑

□深圳市龍崗區(qū)萬科城實驗學(xué)?！⌒こ薪?/p>

對摩擦力產(chǎn)生條件的再質(zhì)疑

□深圳市龍崗區(qū)萬科城實驗學(xué)校肖承江

【摘要】在學(xué)習(xí)和研究的過程中，對摩擦力產(chǎn)生的條件中“必須相互擠壓或者有正壓力”產(chǎn)生質(zhì)疑。在依據(jù)前人關(guān)于摩擦本質(zhì)的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗研究，認(rèn)為“兩個物體必須相互擠壓或者有正壓力”不應(yīng)該作為摩擦力產(chǎn)生的必要條件，并提出“滑動摩擦力大小的計算公式為f=f0+μN”的猜想。

【關(guān)鍵詞】摩擦力質(zhì)疑依據(jù)實驗研究

關(guān)于摩擦力的研究，經(jīng)過前人幾百年的艱苦努力，在摩擦力的概念、大小及產(chǎn)生條件等方面，形成了一定的共識。但是，關(guān)于“摩擦力的本質(zhì)”、“摩擦力產(chǎn)生的條件”、“影響摩擦力大小的因素”等方面的一些質(zhì)疑，在學(xué)界至今仍眾說紛紜、沒有定論。

近年來，關(guān)于摩擦力產(chǎn)生的條件的相關(guān)討論和研究仍然很多。其中，龔勁濤老師在《物理教師》2008年第9期發(fā)表文章——《摩擦力產(chǎn)生條件的誤區(qū)》，文中在解釋“物體沿某不光滑的豎直墻壁下滑”的例子的基礎(chǔ)上，提出摩擦力產(chǎn)生的條件必須有“相互擠壓或者有正壓力”這個條件是不適當(dāng)?shù)?。這個觀點引發(fā)了我的深入思考和研究，并找到了一些比較可靠和有力的依據(jù)。

首先，在摩擦凹凸說形成的過程中，法國物理學(xué)家?guī)靵鲈谧C實了“摩擦力與壓力成正比（第一定律）和摩擦力與接觸面積無關(guān)（第二定律）”、提出“滑動摩擦?xí)r摩擦力與滑動速度無關(guān)（第三定律）”、總結(jié)出摩擦的凹凸說本質(zhì)的過程中，還提出了靜摩擦力大于動摩擦力的觀點，并給出了關(guān)系圖（圖1）。我們從圖中“F=A+μP”的關(guān)系式可看出P=0時，F(xiàn)=A。

其次，近代“粘附說”代表人物英國科學(xué)家F·P·鮑登和D·泰伯提出了如下重要結(jié)論：表面接觸面積與真實接觸面積差別很大，而且接觸面積還會隨摩擦條件而變化，兩微凸體之間存在著吸附力而形成接點，摩擦力應(yīng)為剪斷金屬間接點所需的力與硬金屬表面微凸體在軟金屬表面犁溝所需力之和。并給出摩擦計算公式F=Ar×τm+τp，式中：Ar為實際接觸面積；τm為接點的剪切強度；τp為犁削力。若接觸表面較光滑，則τp=0。我覺得他們提出的觀點，給我對“摩擦力產(chǎn)生條件”的質(zhì)疑，提供了佐證。

再次，為質(zhì)疑摩擦力的產(chǎn)生條件，我設(shè)計了一個相關(guān)的研究實驗。現(xiàn)在我來介紹一下這個驗證實驗。這個實驗的關(guān)鍵就是：如何實現(xiàn)物體之間相互接觸卻有沒有相互擠壓。我采用的是制造等厚度空間的辦法。等厚度空間制造的具體操作步驟如下——

第一，選材。選擇合適的板材，切成A（2塊）、B（2塊）、C（1塊）三種型號的長方體，并分別在A和B板的合適位置鉆大小和數(shù)量合適的孔。其中，A和C必須出自同一塊板材，B與A、C可以相同也可以不同。A、B、C板材的平面示意如圖2。

第二，組裝。組裝示意圖如圖3所示。

說明：在步驟2的基礎(chǔ)上，再將另外一塊B板蓋在上方成步驟3。并用螺絲在步驟3的基礎(chǔ)上將其固定，固定后稱為組合體，這樣在兩塊A板和兩塊B板中間造出了一個與C板厚度相同、寬度略大的空間。

第三，實驗操作。

（1）把C板懸掛在彈簧測力計的掛鉤上，讓其自然下垂，待靜止后記錄下彈簧測力計的示數(shù)。

（2）將上述步驟3中由A和B及螺絲組成的組合體套在C板外面，松開雙手讓其自然豎直下垂。如圖4所示。

（3）期間組合體可能會靜止，也可能豎直下落，并記錄下落過程中彈簧測力計的示數(shù)。

（4）換用其他材料再次做上述實驗。

第四，數(shù)據(jù)記錄。將上述實驗數(shù)據(jù)記錄在表1。

第五，實驗分析。

（1）實驗條件分析。C板與組合體之間相互接觸，但無相互擠壓。在上述實驗中，組合體的中空厚度與C板厚度相同、中空寬度比C板寬度略大，所以，當(dāng)組合體套在C板上時，能夠恰好與兩塊B型板接觸且不互相擠壓。

（2）實驗結(jié)果分析。從實驗的現(xiàn)象看，組合體可能豎直下落，也可能靜止。從實驗記錄的彈簧測力計的示數(shù)的變化看，說明在組合體豎直下落或者靜止的過程中，對C板均產(chǎn)生了摩擦力的作用。

第六，得出實驗結(jié)論。

根據(jù)以上的實驗和分析，可以得出：相互接觸的兩物體發(fā)生相對運動或者相對運動趨勢時，沒有相互擠壓或者說無正壓力時，能產(chǎn)生摩擦力，即當(dāng)N=0時，摩擦力不為零。這說明“摩擦力產(chǎn)生的條件必須相互擠壓或者有正壓力”的觀點與實驗事實不符。

綜上所述，“兩個物體必須相互擠壓或者有正壓力”就不應(yīng)該再列為摩擦力產(chǎn)生的必要條件了。在此基礎(chǔ)上，我們還可以大膽猜想：滑動摩擦力的大小f滑=f0+μN（其中，N=0時，f=f0，f0因接觸面材料和粗糙程度的不同而不同）。關(guān)于這點，還需要進(jìn)一步的研究。