從“最快的冰”開始聊摩擦

□文/南京市玄武高級中學 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錄最多的冬奧會。高科技的應用，讓冰面與冰刀之間的摩擦達到完美境界，難怪運動員們把“冰絲帶”稱為“最快的冰”“最美的冰”（圖1）。

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?？植赖臑碾y，來不及逃生的動物都葬身火海。人類的祖先在火災后的森林里覓食，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。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）。

圖2

有些石頭在敲擊、打磨時會產生火花，這讓人類又多了一種生火的方法——火鐮被發(fā)明出來了。火鐮利用的也是摩擦生火的原理，火鐮與火石反復猛烈擦刮，產生的火花點燃了干草，火就來了。很長時間內，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）。

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）。

圖4

圖5

摩擦的對象、摩擦的手段不停進化，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、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！”

圖6 供圖/視覺中國

在木材加工車間，電鋸鋸木頭時的摩擦會讓木頭的溫度急劇升高，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）

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。從科學原理上說，就是用做功的方法改變物體的內能，把機械能轉化為內能。

圖8

摩擦讓我們周圍遍布靜電

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

原子核里的質子數(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移。得到電子的物體因為有了多余的負電荷而帶上負電，失去電子的物體則因為負電荷少了而表現(xiàn)出正電。摩擦是一種劇烈的接觸方式，當然會發(fā)生電子的轉移，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）。

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，與干燥的空氣摩擦會起電，與人體摩擦會起電，衣物與衣服之間摩擦也會起電。

在容易導電的物體上，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。當帶靜電的物體接觸到與它有電位差的物體時，電子就會轉移，發(fā)生中和或放電現(xiàn)象。電子在轉移的過程中，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，撕成一條條的細絲，也可以在PVC管的“指揮”下懸浮在空中。

圖10

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）。

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！

圖12

實驗二：筷子提米。有這樣一個魔術節(jié)目，魔術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）。

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。摩擦會把車輪上的花紋磨平，會讓馬路開裂，會讓桌腿磨損。摩擦會消耗機械能，降低機器的工作效率。

2006年的調查認為，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、農業(yè)裝備）消耗在摩擦、磨損和潤滑方面的資金約為9 500億元；如果正確運用摩擦學知識，節(jié)省的人民幣估計可達3 270億元。

初中物理課本對滑動摩擦、滾動摩擦、靜摩擦進行了基本的介紹，高中物理課上會有關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。摩擦學已經成為一門專門的學問，與材料、地質、生態(tài)等多個學科領域相互交叉。

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)據分析、物聯(lián)網等多個領域的高科技綜合運用的結果（圖14）。

圖14 供圖/視覺中國

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。