在很多力的范畴中,摩擦力是最让人爱恨交加的。在远古时代,人们就利用了树木与其它物体摩擦产生的热量,来进行钻木取火。有了火的照明,使人类跑步进入了21世纪的高科技时代。这时,摩擦力就是改写人类文明进程的伟大“功勋”。
但是,人们为了使火车能够跑得更快,就必须得降低火车与轨道之间的摩擦力,直到磁悬浮列车的提出,使得陆地上的火车速度能与天上的飞机相提并论。在这其中,摩擦力又成为了阻碍人们交流的“元凶”。
早在几个世纪前,伽利略通过猜想得出了一个有趣的现象。即把一个金属球放在一个U形槽内,如果金属球与U形槽之间没有摩擦力,那么金属球就会沿着U形槽一直的运动下去。这时金属球的重力势能就完全转化为物体的动能了。在此中情况下,人们梦寐以求的永动机就能够制出来了。而在现实生活,这是不可能存在的。
早在中学的物理中,我们就知道摩擦力分为静摩擦力和动摩擦力。可以毫不夸张的说,所有在地球上运动的物体几乎受到了摩擦力的影响。对于动摩擦力而言,影响它大小的除了跟两个接触物体的形状、材质、接触面以及施加的压力有关外,还跟动摩擦因素μ有关。
影响摩擦力的大小已知了,那么,它的方向是怎样的呢?通过对摩擦力进一步的发掘了解到,摩擦力的方向总是跟运动物体相对运动方向相反的,跟接触面相切。也就是说,点动摩擦比面面摩擦在相同的条件下要小很多。
这在我们生活中有着活生生的例子。例如,在我们日时所见的板车的轮圈上,其中间就会有很多细小的钢珠,它一来可以避免轴承与衬套之间的剧烈摩擦,从而毁坏衬套,二来它可以降低轴承的摩擦力,从而使人们拖重物而省力。
关于摩擦力的运用还远不止如此,在人造探星车砸入行星表面时,如果没有摩擦阻力,它是会变得灰飞烟灭的。由于此时的摩擦阻力巨大,这又极易使辅助探星车安全的材料燃烧,从而功亏一篑。所以,在太空领域的竞争中,耐高温材料永远是各国的绝密保护对象。
有人说,运动的物体有摩擦力,那么静止的物体有摩擦力吗?对于静止的物体,竟可以说它有静摩擦力,也可以说它没有静摩擦力。例如在地面的一个铁箱子,有的人使劲推它,它就是不动,这时,物体就受到了静摩擦力,阻碍了物体的相对运动。
可以这么说,物体受到的静摩擦力是一个可变的量,一个黄口小孩去推铁箱子和一个成年的大人去推铁箱子,虽然他们都没有将箱子推动,但是箱子与地面之间的静摩擦力的大小是不相等的。关于这个常识,从物体的平衡状态就可以得出来。
看到这里,也许有人还会问,运动的物体有静摩擦力吗?我们知道,对于地面上的铁箱子,只要你所使用的推力不超过物体的最大静摩擦力,那么物体就会一直处于静止的平衡状态,一旦超过了最大静摩擦力,物体就会运动起来。当然,这里说的是水平的情况。
引入了最大静摩擦力的概率后,那么运动的物体就可能受到静摩擦力。例如,在快递的分拣过程中,人们就会看到,物体在倾斜的皮带上运动,物体却没有滑落下来。此时,物体就受到了静摩擦力。只是,我们选择的参考系不同罢了。对于地面而言,物体是运动的,对于皮带而言,物体是静止的。
只是,物体的重力有一部分分解为物体的压力与向下运动趋势的力,在静止状态下,物体受到的重力分解向下的力与物体的静摩擦力平衡了,所以,运动的物体也会受到静摩擦力。
不管是静止的物体还是运动的物体,其摩擦力的方向都与压力垂直吗?下节开讲,力的合成与分解中的数学应用。
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