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對(duì)摩擦力產(chǎn)生條件的再質(zhì)疑

□深圳市龍崗區(qū)萬(wàn)科城實(shí)驗(yàn)學(xué)校肖承江

【摘要】在學(xué)習(xí)和研究的過程中，對(duì)摩擦力產(chǎn)生的條件中“必須相互擠壓或者有正壓力”產(chǎn)生質(zhì)疑。在依據(jù)前人關(guān)于摩擦本質(zhì)的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為“兩個(gè)物體必須相互擠壓或者有正壓力”不應(yīng)該作為摩擦力產(chǎn)生的必要條件，并提出“滑動(dòng)摩擦力大小的計(jì)算公式為f=f0+μN(yùn)”的猜想。

【關(guān)鍵詞】摩擦力質(zhì)疑依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究

關(guān)于摩擦力的研究，經(jīng)過前人幾百年的艱苦努力，在摩擦力的概念、大小及產(chǎn)生條件等方面，形成了一定的共識(shí)。但是，關(guān)于“摩擦力的本質(zhì)”、“摩擦力產(chǎn)生的條件”、“影響摩擦力大小的因素”等方面的一些質(zhì)疑，在學(xué)界至今仍眾說(shuō)紛紜、沒有定論。

近年來(lái)，關(guān)于摩擦力產(chǎn)生的條件的相關(guān)討論和研究仍然很多。其中，龔勁濤老師在《物理教師》2008年第9期發(fā)表文章——《摩擦力產(chǎn)生條件的誤區(qū)》，文中在解釋“物體沿某不光滑的豎直墻壁下滑”的例子的基礎(chǔ)上，提出摩擦力產(chǎn)生的條件必須有“相互擠壓或者有正壓力”這個(gè)條件是不適當(dāng)?shù)摹＿@個(gè)觀點(diǎn)引發(fā)了我的深入思考和研究，并找到了一些比較可靠和有力的依據(jù)。

首先，在摩擦凹凸說(shuō)形成的過程中，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲈谧C實(shí)了“摩擦力與壓力成正比（第一定律）和摩擦力與接觸面積無(wú)關(guān)（第二定律）”、提出“滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦力與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)（第三定律）”、總結(jié)出摩擦的凹凸說(shuō)本質(zhì)的過程中，還提出了靜摩擦力大于動(dòng)摩擦力的觀點(diǎn)，并給出了關(guān)系圖（圖1）。我們從圖中“F=A+μP”的關(guān)系式可看出P=0時(shí)，F(xiàn)=A。

其次，近代“粘附說(shuō)”代表人物英國(guó)科學(xué)家F·P·鮑登和D·泰伯提出了如下重要結(jié)論：表面接觸面積與真實(shí)接觸面積差別很大，而且接觸面積還會(huì)隨摩擦條件而變化，兩微凸體之間存在著吸附力而形成接點(diǎn)，摩擦力應(yīng)為剪斷金屬間接點(diǎn)所需的力與硬金屬表面微凸體在軟金屬表面犁溝所需力之和。并給出摩擦計(jì)算公式F=Ar×τm+τp，式中：Ar為實(shí)際接觸面積；τm為接點(diǎn)的剪切強(qiáng)度；τp為犁削力。若接觸表面較光滑，則τp=0。我覺得他們提出的觀點(diǎn)，給我對(duì)“摩擦力產(chǎn)生條件”的質(zhì)疑，提供了佐證。

再次，為質(zhì)疑摩擦力的產(chǎn)生條件，我設(shè)計(jì)了一個(gè)相關(guān)的研究實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在我來(lái)介紹一下這個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是：如何實(shí)現(xiàn)物體之間相互接觸卻有沒有相互擠壓。我采用的是制造等厚度空間的辦法。等厚度空間制造的具體操作步驟如下——

第一，選材。選擇合適的板材，切成A（2塊）、B（2塊）、C（1塊）三種型號(hào)的長(zhǎng)方體，并分別在A和B板的合適位置鉆大小和數(shù)量合適的孔。其中，A和C必須出自同一塊板材，B與A、C可以相同也可以不同。A、B、C板材的平面示意如圖2。

第二，組裝。組裝示意圖如圖3所示。

說(shuō)明：在步驟2的基礎(chǔ)上，再將另外一塊B板蓋在上方成步驟3。并用螺絲在步驟3的基礎(chǔ)上將其固定，固定后稱為組合體，這樣在兩塊A板和兩塊B板中間造出了一個(gè)與C板厚度相同、寬度略大的空間。

第三，實(shí)驗(yàn)操作。

（1）把C板懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)的掛鉤上，讓其自然下垂，待靜止后記錄下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

（2）將上述步驟3中由A和B及螺絲組成的組合體套在C板外面，松開雙手讓其自然豎直下垂。如圖4所示。

（3）期間組合體可能會(huì)靜止，也可能豎直下落，并記錄下落過程中彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

（4）換用其他材料再次做上述實(shí)驗(yàn)。

第四，數(shù)據(jù)記錄。將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1。

第五，實(shí)驗(yàn)分析。

（1）實(shí)驗(yàn)條件分析。C板與組合體之間相互接觸，但無(wú)相互擠壓。在上述實(shí)驗(yàn)中，組合體的中空厚度與C板厚度相同、中空寬度比C板寬度略大，所以，當(dāng)組合體套在C板上時(shí)，能夠恰好與兩塊B型板接觸且不互相擠壓。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。從實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象看，組合體可能豎直下落，也可能靜止。從實(shí)驗(yàn)記錄的彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)的變化看，說(shuō)明在組合體豎直下落或者靜止的過程中，對(duì)C板均產(chǎn)生了摩擦力的作用。

第六，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)和分析，可以得出：相互接觸的兩物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，沒有相互擠壓或者說(shuō)無(wú)正壓力時(shí)，能產(chǎn)生摩擦力，即當(dāng)N=0時(shí)，摩擦力不為零。這說(shuō)明“摩擦力產(chǎn)生的條件必須相互擠壓或者有正壓力”的觀點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。

綜上所述，“兩個(gè)物體必須相互擠壓或者有正壓力”就不應(yīng)該再列為摩擦力產(chǎn)生的必要條件了。在此基礎(chǔ)上，我們還可以大膽猜想：滑動(dòng)摩擦力的大小f滑=f0+μN(yùn)（其中，N=0時(shí)，f=f0，f0因接觸面材料和粗糙程度的不同而不同）。關(guān)于這點(diǎn)，還需要進(jìn)一步的研究。