摩擦力产生条件的误区

摩擦力产生条件的误区

龚劲涛

(绵阳师范学院物理与电子信息工程系,四川绵阳 621000)

图1

关于摩擦力产生的条件,在现今中学物理教学和众多教学辅导书中都流行着这样一种提法,那就是产生摩擦力必须同时具备4个条件:(1)两物体相接触;(2)接触面粗糙;(3)物体间存在相互挤压,即有正压力(或称弹力)存在,N X 0;(4)有相对运动(或相对运动的趋势).并特别强

调/相互挤压0是其他三个条件都满足的情形下,还必须再具备的一个不可缺少的条件.也就是两个相接触的物体即使接触面粗糙和有相对运动(或相对运动的趋势),但如果他们之间没有相互挤压便不会产生摩擦力[1].而证明这个观点的一个经典例证便是:如图1所示,一物体沿一不光滑的竖直墙壁下滑,由于它们之间没有相互挤压,所以物体和墙壁之间不存在摩擦力,物体将做自由落体运动[2].这是高中物理教学中关于摩擦力分析的一个极为普遍和典型的例子,其结论几乎为所有中学物理教师和学生接受和认可.但笔者却认为上述结论是不正确的.为了说明这一问题,我们首先来了解一下摩擦力产生的微观机制.

摩擦力就实质来讲是属于电磁力的范畴.尽管由于摩擦的复杂性,现阶段我们还没有对摩擦做出完美的解释,但从现代摩擦学理论来讲,摩擦作用的微观机制源于组成物体的分子和原子间的相互作用,这一点早已得到物理学界的公认.目前普遍认可的一种摩擦理论认为:相接触物体的真正接触面积是属于原子尺度的,只有很少的点真正相接触,这一接触面积只占总的几何接触面积的一个极其微小的部分,而摩擦力却正是源于原子尺度接触的这些区域内原子之间的相互作用力.同时由于原子接触面积占几何接触面积的比例,正比于法向力(正压力)除以几何接触面积.因此当法向力增大一倍,原子接触面积也增大一倍,摩擦力便增大一倍,这就是摩擦力的大小正比于正压力,而与接触物的几何接触面积无关的原因所在[3].但实际上无论多么光滑的表面,在显微镜下观察都是凹凸不平的,使得相互接触的物体实际上是彼此镶嵌的,欲使两者沿接触面相对运动,就需超越此类相互的阻隔,这种超越既可能不破坏表面的凸起,发生轻微的上下跳跃,也可能使凸起断裂[4],因此当两块打磨得非常光滑的金属放在一起的时候,由于大量分子处于原子尺度的接触因而产生了强烈的相互吸引,从而造成它们之间存在非常大的摩擦作用.所以我们所说的光滑表面指的是一种理想模型,并非等同于表面打磨得非常光洁的物体.

从上面摩擦力产生机制的分析中,我们不难得出下列结论:当表面粗糙的一物体沿另一物体表面滑动(或有相对运动的趋势)时,物体间相接触的点和彼此镶嵌的凸起之间

必然会相互挤压和阻隔,因而产生阻碍相对运动(或相对运动趋势)的力即摩擦力.由此可见:相接触的两物体间若接触面不光滑,当发生相对运动(或相对运动的趋势)时,必然因相互挤压,存在正压力(或弹力),因此再将条件(3)单独列为摩擦力产生的必备条件之一就显得重复和不必要,因为其他3个条件中已经将条件(3)包含在其中了.当然为了说明在摩擦力产生中一定有着接触物间的相互挤压而特别强调是完全可以的,但是却不能因此将其作为滑动摩擦力产生的必备条件和其他3个条件相并列.更不能在此基础上还得出下列结论:相接触的两物体间虽然接触面粗糙并且发生了相对运动(或相对运动的趋势)却因为相互间不发生挤压,而不产生摩擦现象.现在我们就来分析一下刚才物体沿竖直墙壁下滑的例子,这一问题要分两种情形来讨论:一种情形是物体在下滑过程中一直保持和墙壁相互接触,那么总会有一些点彼此接触和镶嵌,也即存在原子尺度的接触面,虽然由于没有外加压力,这一接触面事实上极其微小,但的确存在,否则就不能认为A 和墙壁是相接触的,因而在下滑过程中相接触的点和彼此镶嵌的凸起之间必然会发生相互挤压和阻隔,产生阻碍相对运动的摩擦力,虽然由于正压力很小造成该摩擦力也非常小,但事实上一定存在,所以物体不做自由落体运动.另一种情形是物体下滑过程只是紧邻墙壁而未发生实际接触,那么它只受重力作用而沿竖直方向做自由落体运动,这里不存在摩擦力的原因是由于物体和墙壁间没有真正接触造成的,而不是发生了接触由于没有相互挤压导致的结果.所以以这个例证作为支持摩擦力产生的条件必须有/相互挤压0与其他3个条件同时并存显然是不适当的.

综上所述笔者认为摩擦力产生的条件应是:相接触的物体,如果接触面粗糙,只要彼此间存在相对运动或相对运动趋势,就一定会产生摩擦力.

参考文献:

1 王显忠.新编高中同步导学教程:5物理6高一年级上.济南:济

南出版社,2003.11

2 付延林.物理实验:中学部分.2004,24(9):48-49

3 赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程(力学).北京:高等教育出版

社,1995.72

4 漆安慎,杜婵英.普通物理学教程(力学).北京:高等教育出版

社,2005.74

(收稿日期:2008-04-07)

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41)第29卷第9期2008年 物 理 教 师 PHYSICS T EACHER

Vol.

29No.9

(2008)