淺析摩擦表面的物理過程與物理現象

張貝寧

摘要縱觀物理中的宏微觀世界，摩擦是物理世界中非常常見的現象，其原理也是非常簡單的，但它在不同環境中表現出來的作用和表現形式是不一樣的，而且大家對摩擦現象及其過程還存在一定誤區。因此，本文就對摩擦表面的物理過程和現象做了進一步的解釋，并以實例來直觀展現出來，讓大家正確認識理解摩擦。

關鍵詞摩擦；物理過程；物理現象

摩擦非常常見，它存在于生活中的方方面面，沒有了摩擦，世界將不再是世界，而是混沌，我們的生活離不開摩擦，摩擦力更是力中不可缺少的一種。由于摩擦力有時是動靜結合，有時又是相互運動的復雜性，容易使人混淆，甚至產生錯誤的理解，因此，正確認識、理解和充分利用摩擦力對我們有著重要的理論和現實意義。本文著重對摩擦力的起因、分類做了深入的介紹，分析了摩擦力的特點，并通過實驗來直觀清晰解釋了摩擦的產生以及其摩擦過程和摩擦過程中產生的一些現象，使大家能夠對摩擦有新的認識和新的思考。

1對摩擦力的深入認識

對于宏觀世界來說，物體的表面不會是非常光滑的，而這有凹凸的物體表面相互接觸，就必然會產生摩擦。也就是說當一個物體沿著接觸面的切線運動或者有相對運動趨勢時，就存在一個阻礙它們運動的力，這種力就是摩擦力。對于微觀點角度來說，摩擦力就是2個物體接觸的表面，它們的分子表面還是粗糙的，存在著凹凸面，當2個分子間的壓力大于他們的彈性形變的限度時，這2個分子就會發生粘合，而當物體有運動趨勢時，就要克服這個分子間的引力。因此摩擦力產生的條件就是兩個物體的表面是粗糙的，他們之間相互接觸而且有力的作用，同時它們有相對的運動或運動趨勢。

在高中的物理知識框架上，摩擦力又可分為靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力3種，它們主要從宏觀的世界中解釋展現出來。當2個物體是相互接觸的，而且它們之間沒有相對運動趨勢，這樣子的摩擦叫做靜摩擦力，例如傳送帶上的產品；若是這2個相互接觸的物體發生了滑動的現象，那么它們之間的摩擦力叫做滑動摩擦力，例如自行車上的剎車系統；加入這2個物體發生的是相對的滾動運動，那么這就叫做滾動摩擦力，比如汽車的輪子在滾動。生活中處處存在著摩擦力，沒有了摩擦力人就走不動，汽車也開不動，吃不了東西，寫不了字，工作也做不了，什么都沒有也動不了。

對于不同類型的摩擦其摩擦力的大小是不一樣的，它們的計算方法也不一樣。對于靜摩擦力來說，因為物體沒有發生相對的運動，兩個物體是處于相對靜止狀態，但他們之間又有力的作用，所以接觸面就有一定大小的摩擦力。靜摩擦力有一個最大的限制范圍，其最大值是滑動摩擦力，最小為零，即0≤F摩≤FN，其大小與物體相對運動的趨勢強弱有關，當物體的相對運動趨勢越強，其靜摩擦力就越大。

對于滑動摩擦來說，其大小跟作用在物體上的壓力和物體表面的粗糙度有關，根據實驗以及經驗驗證，其計算公式為F，其中μ表示滑動摩擦因數，N表示作用于接觸面的正壓力大小，與物體的重力大小、速度大小等無關。

類似于滑動摩擦，滾動摩擦力的大小也是由F=μ所得，不同的是μ代表滾動摩擦的摩擦系數，滾動摩擦的方向跟物體的相對運動方向相反。

對于這些摩擦力來說它可以做正功，也可以做負功，甚至還可以不做功。對于靜摩擦力，兩物體之間沒有相對的運動，它們之間只有機械能，而且這對摩擦力大小相等，方向相反，它們之間的代數和就是零；對于滑動摩擦，比如貨車上的貨物由于貨車突然剎車減速，物體向前傾，并產生滑動現象，但總的來說相對地面還是向前運動的，因此貨物對貨車做的是正功，貨車對貨物做的是負功，但總攻等于摩擦力與位移的乘積，并在此過程中產生了熱能。

2對摩擦的物理過程及其現象認識和思考

其實對于摩擦力古人很早就有認識，鉆木取火就是一摩擦力的表現形式。下面我們就用實例來解釋一下物體表面的摩擦的物理過程和物理現象。

首先我們以牙刷來演示一下。我們先把一根新的牙刷水平的輕放在一塊粗糙的小木板上，觀察到牙刷毛是垂直的，當我們輕輕沿著水平方向施加一個力時，觀察牙刷的狀態變化，從實驗中我們可以看到，牙刷毛慢慢開始發生形變，而且是沿著力的相反方向彎曲，逐漸增大水平施加的力，當力到一定大小，牙刷毛發生形變到一定程度時，牙刷便發生滑動現象。改變施加力的方向會發現，牙刷毛的形變也會相反，而且對于作用在牙刷上的力的大小不同時，牙刷的形變也會不同，同時觀察實驗可以發現，當力越大，牙刷發生滑動時，牙刷毛的形變程度也會越大，換一塊光滑一點的木板進行同樣的實驗，觀察牙刷發生形變的方向和程度與之前有什么差異。通過此實驗我們可以清楚認識到摩擦力的方向，以及與摩擦力大小有關的因素，同時我們也可得知靜摩擦力與滑動摩擦力的相同點和不同點，從而可以直觀解釋摩擦力的相關知識。研究完牙刷，我們便可以用黑板擦來演示，用黑板擦來擦除黑板上的粉筆字，觀察黑板擦的擦除情況。

對于上面的實驗只是對摩擦力的一個表面的認識，要深入認識就需要用實際的數據來研究。我們首先準備幾塊粗糙程度不一的長木板，一個拉力彈簧，幾個接觸面積相等、質量不一和質量相等、接觸面積不等的小重物。首先我們得知道這些重物的質量，然后將其中一個比較輕的重物放在木板表面比較光滑的上面，用彈簧水平的拉重物，并記錄力的大小，當拉重物以均勻的速度前行時記錄數據，改變速度大小，以加速的方式前行，觀察并記錄力的大小，然后以減速的方式前行，再觀察并記錄力的大小。換粗糙度較大的木板進行同樣的實驗并記錄相關數據，當所有木板都試過以后，改用質量較大的重物進行前面的實驗并記錄相關數據，前面的實驗要保證接觸面積是相等的。接著我們就進行接觸面積不等的實驗，實驗完以后，再將水平拉力改成有一定傾斜角度的拉力進行實驗或者將水平的木板傾斜一定角度放著，以相對與木板的水平方向拉重物進行實驗。通過上面的實驗，我們進行數據的整理便可得知摩擦力具體與那些因素有關，而且可以得出它們之間的相關式。

3關于摩擦力的應用

通過設計并完成實驗來親自體驗，這樣才能有更深入的認識，實驗完后還可以舉一反三，加深對摩擦力的認識，比如翻書，對書本施加一定的力來翻開書本，還有寫字，筆芯在紙上滾動或者滑動才能寫出字來，還有洗手、擰水瓶蓋等等。摩擦力有利有弊，對于生活在摩擦力環繞的世界中沒有說是利大還是弊大，就拿火車飛機來說，火車飛機在運動過程中空氣的阻力是我們不想要的，然而對于剎車的時候，這又顯得是必要的；自行車輪胎的花紋就是為了增大摩擦的，還有傳送帶是利用摩擦力來進行傳送物品的等這些都是有利的，然而空氣摩擦力卻不利于物體的加速，很多摩擦也會消耗一大部分的機械能，還會產生磨損狀況，比如電動機，各種摩擦縮短了零件的使用壽命。

4結論

對于摩擦表面的物理過程和物理現象就是探究摩擦的產生過程以及表現形式，這些我們可以通過研究摩擦力的大小方向等特性來直觀展現出來，所以我們也就可以通過實驗來研究這些對摩擦可能產生影響的因素來探究其物理過程和物理現象。endprint