摩擦力疑惑問題探析

左貝林

摩擦力是高中物理的重點和難點，其形成機理從微觀來看是很復雜的，但是高中階段有關摩擦力知識和規(guī)律是基于經(jīng)驗和實驗得出的，只是引入概念，方便學生理解、計算，可能有一定的局限性。筆者在學習中就遇到一些困惑，本文擬就兩個疑惑問題進行探析，旨在引發(fā)摩擦力本質(zhì)問題多方的討論。

問題一：一道競賽題引發(fā)的思考，靜摩擦力的方向一定與相對運動趨勢的方向相反嗎？

該競賽題在眾多物理奧賽指導叢書上均有引用并附詳解，筆者對此題兩種解法感到費解，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)兩解法出現(xiàn)分歧與摩擦力本質(zhì)問題有關。

（一）題目及解法

質(zhì)量為m、長為l的勻質(zhì)細棒AB一端A通過可以在任意方向自由轉動的鉸鏈固定于水平地面（xOy平面）上，另一端B靠在豎直墻面（yOz平面）上，如圖所示。自A至墻引垂線AO′，已知∠O′AB=α，棒與墻間的摩擦因數(shù)為μ。求棒不至滑下時AO’B所在平面與鉛垂面的最大傾角θ及此時墻對棒的支持力N。

原解：若B端能夠沿著墻滑動，其軌跡必然在以O’為圓心，以O’B長為半徑的圓周上，所以摩擦力f的方向必然沿著圓弧的切線方向。

對于解一與解二的矛盾根源，筆者的拙見是：在于摩擦力方向“相對運動趨勢方向相反”是否妥當。第一，因為當接觸的運動是一維的時候，其運動方向與相對運動趨勢方向只有兩種，方向是很好確定的。而當接觸點的運動是二維的時候（如上題），問題就麻煩了，因為運動趨勢方向是否與摩擦力方向相反，或運動趨勢方向是向哪里并不是那么好確定的，如上題，解一與解二便是在這一點上出現(xiàn)分歧。第二，因為摩擦力的產(chǎn)生機理從微觀上分析是為了阻礙接觸面分子層的相對運動而由變化的分子斥力和引力產(chǎn)生。事實上，彈性形變和宏觀上接觸物體間相對運動都可以引起微觀上接觸面分子層的相對運動，而由彈性形變產(chǎn)生的力被人們定義為彈力，宏觀上接觸物體間相對運動產(chǎn)生的力被人們定義為摩擦力。對于滑動摩擦，彈性形變產(chǎn)生的微觀上分子層的相對運動相對于宏觀位移產(chǎn)生的微觀分子層的相對運動是可以區(qū)分開的，所以摩擦力的方向被認為與宏觀相對運動方向相反是毋庸置疑的。但是對于靜摩擦力而言，宏觀上兩物體間只有相對運動趨勢，并沒有發(fā)生位移，那么彈性形變產(chǎn)生的微觀分子層的相對運動與相對運動趨勢產(chǎn)生的微觀分子層的相對運動是無法區(qū)分的，從宏觀上看它們都是受到力的擠壓。所以筆者認為，對于靜摩擦力的情況，靜摩擦力和彈力從微觀本質(zhì)上講是一致的，這時將它們完全區(qū)分是有可能出現(xiàn)問題的，所以應將它們當做一個力處理為妥。既然它們無法很好地區(qū)分而是一個力，那么這句話便不能隨處適用了。于是解一與解二的矛盾就是在于是否運用了“靜摩擦力的方向與相對運動趨勢相反”這個結論。

問題二：接觸面越光滑，滑動摩擦力越小嗎？

當一個物體在另一物體表面上滑動時，其接觸面越光滑，滑動摩擦力越小，但是事實上接觸面光潔程度很高時，卻呈現(xiàn)出很大的摩擦力。

兩個宏觀物體的表面貼在一起看起來是完全貼合，但是實際上2個表面都是是凹凸不平的（表面粗糙度就是根據(jù)這個來的），只有極少部分貼合。同時，由于不存在絕對不變形的剛體，正壓力越大，表面的突出部分被壓平或者被壓入另外表面的凹陷部位越多，因此，正壓力越大，實際貼合面積越大，產(chǎn)生范德華力的分子越多，導致總的分子間作用力越大，表現(xiàn)為摩擦力增大。因此摩擦力實際上是由實際貼合面積決定的。高中物理所說接觸面粗糙和光滑是相對而言的，在宏觀層面絕對光滑的接觸面不是存在的，而且動摩擦因數(shù)也是通過實驗測得，依靠理論推算還有很多問題有待解決。