摩擦力及其實(shí)際應(yīng)用分析

摘 要：摩擦力在實(shí)際生產(chǎn)、生活中是處處存在的。掌握摩擦力的有關(guān)知識(shí)，既有利于了解摩擦力的重要作用，合理利用摩擦力，也有利于了解摩擦力的危害，盡量減少摩擦力造成的損失。

關(guān)鍵詞：摩擦力； 大??； 方向； 應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2016）01-012-002

摩擦力在人類生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中普遍存在，與人們息息相關(guān)。下邊就中學(xué)學(xué)過(guò)的滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力的有關(guān)知識(shí)及其應(yīng)用加以分析。

一、關(guān)于摩擦力的有關(guān)知識(shí)

當(dāng)一個(gè)物體在另外一個(gè)物體表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，產(chǎn)生阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力叫做摩擦力。摩擦力的方向與接觸面相切，與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反?；瑒?dòng)摩擦力和靜摩擦力在計(jì)算大小或其他性質(zhì)方面各不相同：

1.摩擦力大小的計(jì)算：滑動(dòng)摩擦力的大小由公式：f=μFN來(lái)計(jì)算，影響FN大小的因素很多，計(jì)算時(shí)應(yīng)特別注意F大小的確定。靜摩擦力大小的計(jì)算較滑動(dòng)摩擦力復(fù)雜：靜摩擦力大小由物體的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定，并隨其變化靜摩擦力大小在零和最大之間變化。如圖1所示，放在水平面上的物體在力F的作用下沒(méi)有動(dòng)，這時(shí)物體受到水平面對(duì)它的靜摩擦力f由力的平衡確定：即：f=F，并當(dāng)F變化時(shí)f也隨之變化，總有f=F（F不超出最大靜摩擦力）；如圖2所示，力F拉著物塊AB在光滑的水平面上一塊加速運(yùn)動(dòng)。物塊A受到B對(duì)它的靜摩擦力f=ma，由牛頓第二定律計(jì)算，a為AB運(yùn)動(dòng)的加速度。

2.摩擦力的方向確定：確定摩擦力的方向關(guān)鍵就在于判斷一個(gè)物體相對(duì)于另外一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向。如圖3所示，以速度V水平運(yùn)動(dòng)的皮帶，當(dāng)物塊以水平速度V射向皮帶，當(dāng)V0V時(shí)，物塊相對(duì)于皮帶的運(yùn)動(dòng)方向向前，物塊受到的滑動(dòng)摩擦力的方向向后，與運(yùn)動(dòng)方向相反。

如圖2所示，A受到的靜摩擦力的方向與運(yùn)動(dòng)方向相同；如圖4所示，AB一塊在粗造的水平面上以速度V減速運(yùn)動(dòng)，A受到的靜摩擦力的方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。無(wú)論靜摩擦力還是滑動(dòng)摩擦力的方向都可以與運(yùn)動(dòng)的方向相同或相反。

二、關(guān)于摩擦力做功與摩擦生熱的分析

1.一對(duì)靜摩擦力做功

摩擦力總是成對(duì)出現(xiàn)的。仍然以圖2為例，A受到B的靜摩擦力f1，B受到A的靜摩擦力f2，且f1=-f2。因?yàn)锳和B一起運(yùn)動(dòng)，所以相同時(shí)間內(nèi)，A的位移S1和B的位移S2相等，故f1對(duì)A做功W1=f1×S1，f2對(duì)B做功W2=f2×S2=-f1×S1，一對(duì)靜摩擦力做功代數(shù)和為零，說(shuō)明B物體減少的機(jī)械能W2和A增加的機(jī)械能W1數(shù)量相等。即B物體部分的機(jī)械能轉(zhuǎn)移給A。一對(duì)靜摩擦力只進(jìn)行物體間的能量轉(zhuǎn)移，而沒(méi)有機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，也就是沒(méi)有生熱。又如圖1所示，物塊和地面受到的靜摩擦力都不做功。一對(duì)靜摩擦力做功代數(shù)和仍為零，不但不生熱，也沒(méi)有物體間的能量轉(zhuǎn)移。

2.一對(duì)滑動(dòng)摩擦力做功

滑動(dòng)摩擦力做功比靜摩擦力做功要復(fù)雜，一對(duì)滑動(dòng)摩擦力做功不僅要進(jìn)行物體間的能量轉(zhuǎn)移，還要有機(jī)械能的損耗。以典型的“子彈打物塊”模型為例，光滑水平面上放有一靜止物塊，從遠(yuǎn)處射來(lái)一子彈打中物塊并留在物塊內(nèi)，打入的深度為d，子彈與物塊間滑動(dòng)摩擦力為f，物塊的位移為S。在這個(gè)過(guò)程中，f對(duì)物塊做的功為W1=f×s，對(duì)子彈做的功為W2=-f×（s+d），W1+W2=-f×d，由此可見(jiàn)，一對(duì)滑動(dòng)摩擦力做功代數(shù)和為負(fù)值，W2是子彈減少的機(jī)械能，W1是子彈轉(zhuǎn)移給木塊的機(jī)械能，二者相差f×d，即損失的機(jī)械能也就是產(chǎn)生的熱，即Q=f×d，其中d就是子彈和物塊的相對(duì)位移，即產(chǎn)生的熱等于滑動(dòng)摩擦力乘以相對(duì)滑動(dòng)位移。簡(jiǎn)單的情況：如果一物體在粗糙水平面上滑行距離S，由于水平面不動(dòng)，相對(duì)位移為S，生熱為：Q=f×S?？傊粚?duì)靜摩擦力做功不產(chǎn)生熱，只有一對(duì)滑動(dòng)摩擦力做功才產(chǎn)生熱。

三、摩擦力在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用分析

摩擦力在自然界中是普遍存在的，很多時(shí)候我們完成的許多事情正是利用了摩擦力，下面就幾個(gè)摩擦力應(yīng)用的典型事例加以分析。

1.人行走過(guò)程中的摩擦力

人在行走的過(guò)程中，總是一個(gè)腳在前，另一個(gè)腳在后。如圖5所示，當(dāng)向前的腳抬起的過(guò)程中，人的重心向前移，同時(shí)后邊的一只腳使勁向后蹬地，根據(jù)作用力和反作用力，后邊的腳受到地面對(duì)人向前的靜摩擦力的作用。正是這個(gè)向前的靜摩擦力的作用推動(dòng)人向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)人的兩只腳交替蹬地就能獲得持續(xù)的作用力，維持人向前行走。所以說(shuō)人的行走就是靠鞋底與地面之間的靜摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.拔河比賽的勝負(fù)

拔河比賽的勝負(fù)，通過(guò)對(duì)拔河隊(duì)員的受力分析我們可以明白，拔河隊(duì)員水平方向受兩個(gè)力，一個(gè)是通過(guò)繩子對(duì)方隊(duì)員對(duì)本隊(duì)的拉力，另一個(gè)是地面作用于本隊(duì)的靜摩擦力，受力如圖6所示。各隊(duì)所受繩的拉力大小相等。各隊(duì)所受地面的最大靜摩擦力由鞋底和地面之間的靜摩擦因數(shù)和隊(duì)員對(duì)地面的壓力決定。（因?yàn)樽畲箪o摩擦力fm=μ0FN）當(dāng)對(duì)方隊(duì)員對(duì)該隊(duì)的拉力大于該隊(duì)受到地面的最大靜摩擦力時(shí)，該隊(duì)就被拉動(dòng)，就會(huì)失敗。因此，增大鞋底與地面最大靜摩擦力是勝負(fù)的關(guān)鍵。穿上鞋底有花紋的鞋子，拔河隊(duì)員的重心下移，使勁蹬地，是取勝的關(guān)鍵。

3.汽車行進(jìn)時(shí)的摩擦力

如果是載重汽車，后輪驅(qū)動(dòng)，汽車行進(jìn)時(shí)后輪受到的摩擦力向前，前輪受到的摩擦力向后。如圖7所示，向前的摩擦力是汽車行進(jìn)的動(dòng)力，向后的摩擦力是汽車行進(jìn)的阻力。如果是轎車，前輪驅(qū)動(dòng)，情況則相反。

另外，摩擦力的應(yīng)用實(shí)例還有很多，如利用皮帶提升物體等等。

通過(guò)以上實(shí)例可以了解到，摩擦力對(duì)于人們很重要。試想，如果沒(méi)有摩擦力，人們將站在原地?zé)o法走動(dòng)；汽車和高速列車將無(wú)法啟動(dòng)，行駛后也將無(wú)法停下來(lái)；工廠生產(chǎn)出的零部件，也無(wú)法用螺絲釘組裝成完整的家具、電器、車輛等產(chǎn)品。可見(jiàn)，無(wú)處不在的摩擦力也是世界運(yùn)轉(zhuǎn)的潤(rùn)滑劑。但是，任何事物都有兩面性，有些摩擦力也是有害的。比如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各個(gè)部件之間的摩擦?xí)斐赡芰康臒o(wú)用損耗，使部件磨損，這時(shí)我們就要想辦法減少摩擦力，如在機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)部分加上軸承，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，或者在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上加潤(rùn)滑油等?？傊?，我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)摩擦力的研究與認(rèn)識(shí)，趨利避害，使摩擦力在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮更大作用。