從“最快的冰”開始聊摩擦

張軍

北京冬奧會再次為世界呈現(xiàn)了一場精彩絕倫的盛會，與2002年鹽湖城冬奧會并列成為史上誕生速度滑冰奧運會紀(jì)錄最多的冬奧會。高科技的應(yīng)用，讓冰面與冰刀之間的摩擦達(dá)到完美境界，難怪運動員們把“冰絲帶”稱為“最快的冰”“最美的冰”（圖1）。

這一期，我們就來和大家聊一聊摩擦的話題。

摩擦的故事由來已久

風(fēng)在不停地吹，原始森林的樹枝間不停地發(fā)生摩擦，最終摩擦生熱也會引發(fā)森林大火。這是非常恐怖的災(zāi)難，來不及逃生的動物都葬身火海。人類的祖先在火災(zāi)后的森林里覓食，驚喜地發(fā)現(xiàn)被燒熟的肉更容易被撕碎，也更香、更可口。于是他們意識到，火是個好東西，得保留住火種，而且要安排專門的人看管火種。

那么，有沒有辦法自己動手制造出火呢？多次的觀察與實踐之后，早期的人類終于掌握了鉆木取火的技術(shù)。擁有了火，意味著擁有了溫暖和光明，意味著多了防御與攻擊的武器，意味著可以開疆辟土，意味著可以冶煉礦石——文明的多扇窗口都即將被打開。人類從此告別茹毛飲血的時代，和其他動物分開，走上了文明的創(chuàng)造與演進(jìn)之路。

石頭是人類早期最常使用的工具之一，可以投擲，可以堆砌，可以敲擊，可以將獸皮劃開，可以在地面、樹木、巖壁上刻畫記號。而且，將撿來的石頭進(jìn)行敲擊、捶打之后，用起來更趁手。這樣的生活持續(xù)了上百萬年，人們嘗試用各種方法讓石頭的凸起部更尖銳，讓石片的邊緣更鋒利——磨制石器的時代到來了（圖2）。

有些石頭在敲擊、打磨時會產(chǎn)生火花，這讓人類又多了一種生火的方法——火鐮被發(fā)明出來了?；痃犂玫囊彩悄Σ辽鸬脑恚痃犈c火石反復(fù)猛烈擦刮，產(chǎn)生的火花點燃了干草，火就來了。很長時間內(nèi)，火鐮都是人們的隨身攜帶品，甚至在新中國成立后，鄉(xiāng)村中還有人在使用它（圖3）。

火柴和煤油打火機的引火，依然用到了摩擦手段（圖4、圖5）。

摩擦的對象、摩擦的手段不停進(jìn)化，人類也慢慢地由爬行變?yōu)橹绷?，從做手勢發(fā)展到用語言交流，從操作有形的工具到掌握更現(xiàn)代的手段，把探索的目光投向更高、更遠(yuǎn)、更精微的地方。

摩擦幾乎無處不在。劃水時，水和肌膚表面間發(fā)生著摩擦;騎車時，空氣與頭盔表面發(fā)生著摩擦;夾菜時，手和筷子之間、菜肴與筷子之間都發(fā)生著摩擦;潮汐時，海水與海底以及海水之間都發(fā)生著摩擦。隕石穿過大氣層，會因摩擦而溫度升高，發(fā)出耀眼光芒（圖6）。這時，我們會歡快地說：“瞧，流星！”

在木材加工車間，電鋸鋸木頭時的摩擦?xí)屇绢^的溫度急劇升高，有時木頭會燃燒起來。用電鉆鉆木頭時，會明顯地看到鉆孔處的木頭被燒焦。（圖7）

今天我們還會用石磨磨豆?jié){（圖8），依然會本能地用搓手的方法給手取暖，用跺腳的方法給腳取暖。從科學(xué)原理上說，就是用做功的方法改變物體的內(nèi)能，把機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

摩擦讓我們周圍遍布靜電

物質(zhì)由大量分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子又由夸克構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電，中子不帶電。對于原子來說，原子核里的質(zhì)子數(shù)量與核外的電子數(shù)量總是相等的，所以原子不顯電性。組成我們?nèi)梭w的質(zhì)子、中子、電子與組成石頭、樹木的質(zhì)子、中子、電子并無不同。

原子核里的質(zhì)子數(shù)量是很難改變的，核外的電子卻可以擺脫原子核的束縛，在物體之間轉(zhuǎn)移。事實上，任意兩個物體在接觸時，它們之間都會有電子在轉(zhuǎn)移。得到電子的物體因為有了多余的負(fù)電荷而帶上負(fù)電，失去電子的物體則因為負(fù)電荷少了而表現(xiàn)出正電。摩擦是一種劇烈的接觸方式，當(dāng)然會發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，這就是摩擦起電現(xiàn)象。相互摩擦的兩個物體總是帶上等量的異種電荷。課本上常舉玻璃棒和絲綢摩擦、橡膠棒和毛皮摩擦的例子，但是我們家里不常備這類材料。其實，用吸管、紙巾，或者氣球、毛巾甚至頭發(fā)就可以做摩擦起電的實驗。

將一小截吸管豎直插入泡沫中，或者用塑料膠帶固定于桌面，作為支架。拿一支長吸管，用牙簽穿過其中部，然后將牙簽插入作為支架的吸管中。另取一支吸管，用紙巾摩擦后靠近插入支架中的吸管。如果兩支吸管帶上了同種電荷，則會相互排斥。如果帶上了異種電荷，或者一支帶電、一支不帶電，二者則會相會吸引（圖9）。

摩擦起電的現(xiàn)象在生活中極為普遍，梳頭時梳子摩擦頭發(fā)，吊扇旋轉(zhuǎn)摩擦空氣，包裝盒外面的塑料薄膜摩擦紙盒，行走時鞋底摩擦地毯，都會起電。我們所穿的衣服，與干燥的空氣摩擦?xí)痣姡c人體摩擦?xí)痣?，衣物與衣服之間摩擦也會起電。

在容易導(dǎo)電的物體上，比如金屬、人體、酸堿鹽溶液等，摩擦所起的電會被迅速傳走;而在不容易導(dǎo)電的物體上，比如塑料、玻璃、化纖、毛紡織物等，電荷很容易聚集形成靜電。當(dāng)帶靜電的物體接觸到與它有電位差的物體時，電子就會轉(zhuǎn)移，發(fā)生中和或放電現(xiàn)象。電子在轉(zhuǎn)移的過程中，會加熱移動路線周圍的空氣，使得空氣發(fā)光，還會發(fā)出聲音。冬天在黑暗中脫衣服時，常會看到火花，并聽到“噼噼啪啪”的聲音，這就是摩擦帶電的衣服放電時產(chǎn)生的。有時，我們用手觸摸金屬物體，比如門把手、公交車上的金屬扶手，身上帶的電會通過手傳導(dǎo)到金屬物體上，手上會有針刺般的痛感，如果是在黑暗中，還能看到小火花。人體的靜電放電現(xiàn)象，在干燥的冬季更容易發(fā)生。閃電其實也是強烈的靜電放電現(xiàn)象。

塑料袋很容易摩擦起電，與附近的物體相吸引。我們可以用塑料袋做一個好玩的實驗。用剪刀將塑料袋剪下一個圓環(huán)，用毛皮摩擦。用同樣的方法摩擦一根PVC管，然后將薄薄的塑料圓環(huán)拋向空中，用PVC管在下方指揮，可讓塑料環(huán)懸浮在空中——PVC管與塑料環(huán)因帶上同種電荷而相互排斥（圖10）。但是，你很難一次就做成功，因為帶上電的塑料圓環(huán)會死皮賴臉地吸在你的衣服上、手腕上，甩也甩不開。取一小截捆扎用的塑料繩，撕成一條條的細(xì)絲，也可以在PVC管的“指揮”下懸浮在空中。

用靜摩擦力施“魔法”

手拿著一個木塊，抬到一定高度，此時如果放手，木塊會沿豎直方向掉落，因為它受到的重力方向是豎直向下的。如果手從下方托著木塊，木塊則不會掉落，因為手施加了向上的支持力，可以與重力平衡。如果兩只手從兩側(cè)夾著木塊，木塊也不會掉落，但是手夾木塊的力是沿水平方向的啊，究竟是什么力平衡了重力呢？

木塊相對于手掌面，有下落的趨勢;手掌面阻礙了木塊下落的趨勢，對木塊有一個豎直向上的靜摩擦力。如果適當(dāng)減少兩手對木塊的壓力，木塊可以在兩手掌間下滑，這時靜摩擦力就變成了滑動摩擦力。由于靜摩擦力的存在，我們能將多個木塊夾起來（圖11）。

利用靜摩擦力還可以做很多好玩的實驗，下面給大家介紹兩個。

實驗一：拉不開的書。找兩本等厚的書，書頁逐頁交替對插，對插完畢后，將書拍緊，不要讓書頁間留出大的空隙。這時，你再試圖將兩本書拉開，就困難了（圖12）。有人曾做過實驗，將兩本《南京大黃頁》對插起來，用兩輛SUV車都拉不開！

實驗二：筷子提米。有這樣一個魔術(shù)節(jié)目，魔術(shù)師將一根筷子插到茶杯里，然后在筷子周圍空隙處撒上米，并壓實。米裝滿后，魔術(shù)師把筷子往上一提，米和杯子居然被一起提了起來！在家里，我們可以自己動作做一做、試一試。做這個實驗的訣竅是每加一層米，都要在米上撒些水。一方面，米粒會通過水吸附到一起;另一方面，米粒吸水后膨脹，相互之間擠壓得更厲害，可以增大靜摩擦力（圖13）。

說不盡的摩擦

生活中，摩擦無處不在。

清晨睜開眼，你的眼皮與眼球在不知不覺中完成了摩擦。從床上坐起來，如果沒有摩擦，你可能就直接從床上滑到地上了，在地面上還會繼續(xù)滑動。不、不，沒有摩擦，你在床上根本坐不起來。沒有摩擦，你幾乎不可能抓起衣服，抓住了也會輕易脫手，穿到身上也很容易滑下。

在你刷牙時，摩擦再次重復(fù)發(fā)生。牙膏一方面幫助清潔口腔，另一方面提供潤滑，讓牙齒表面不至于過早發(fā)生磨損。洗臉時，摩擦在;走路時，摩擦在;吃飯時，摩擦也在。

沒有了摩擦，我們的生活將難以想象。但是，摩擦大了也不行。摩擦?xí)衍囕喩系幕y磨平，會讓馬路開裂，會讓桌腿磨損。摩擦?xí)臋C械能，降低機器的工作效率。

2006年的調(diào)查認(rèn)為，全國8個工業(yè)部門（冶金、能源化工、鐵道機車、航空航天、汽車、船舶、軍事裝備、農(nóng)業(yè)裝備）消耗在摩擦、磨損和潤滑方面的資金約為9500億元;如果正確運用摩擦學(xué)知識，節(jié)省的人民幣估計可達(dá)3270億元。

初中物理課本對滑動摩擦、滾動摩擦、靜摩擦進(jìn)行了基本的介紹，高中物理課上會有關(guān)于摩擦力的分析與計算等。但是，究竟什么是摩擦呢？人類至今也沒有完全研究透。摩擦學(xué)已經(jīng)成為一門專門的學(xué)問，與材料、地質(zhì)、生態(tài)等多個學(xué)科領(lǐng)域相互交叉。

不同的冰上運動對冰的要求也不同，比如冰壺運動要求冰面不能太光滑平整，而高速滑冰則要求冰面光滑平整，并且對冰面穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，冰面軟了會減緩滑速，冰面硬了則容易打滑、摔倒?！氨z帶”制作出“最快的冰”，是制冰方法、溫度感知、冰面溫度控制、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域的高科技綜合運用的結(jié)果（圖14）。

我們還能如何利用摩擦或克服摩擦呢？摩擦還能帶給我們什么啟發(fā)呢？也許科學(xué)的魅力正在于此，不斷地揭示真相，又不斷地發(fā)現(xiàn)新的問題，讓我們一步步接近真理。