摩擦力和弹力在力的性质上的比较

摩擦力和弹力在力的性质上的比较

射阳中学物理组曹德亮

摘要：人教版物理新课标教材中有如下这样一段话“自然界中最基本的相互作用是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。常见的重力是万有引力在地球表面附近的表现，常见的弹力、摩擦力是由电磁力引起的。”不少学生对于“常见的弹力、摩擦力是由电磁力引起的”不太能理解。既然弹力和摩擦力都是由电磁力引起的，也就是说都属于电磁相互作用，那么又为何根据力的性质要将弹力和摩擦力分开来呢？对于学生又应该怎么去认识这两句话呢？本文就这个问题做一个简单的讨论。

关键词：弹力摩擦力凹凸啮合理论分子粘合理论

正文：要解决这个问题，恐怕我们还是要来看看教材。人教版物理新课标教材中对弹力的阐述是这样的“发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫做弹力”。教材中对摩擦力的阐述是这样的“两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动的趋势时，就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力，这种力叫做摩擦力”。在弹力和摩擦力的概念中，并不能找出明显的指出弹力和摩擦力是两种不同性质的力的字眼，然而仔细审视上述的两段阐述，从中却可以找出弹力和摩擦力的一些相似之处。首先，弹力的发生需要相互接触，摩擦力的发生也需要相互接触，这也是通常说的弹力和摩擦力都是接触力。此外，弹力的发生需要发生可恢复性形变，而摩擦力的发生也需要发生形变，这是因为大家都知道的摩擦力的发生需要相互挤压，也就是需要弹力，所以摩擦力的发生需要形变，然而这只是其中的一个原因。下面让我们来看一个例子。

以上两幅图是用毛刷演示摩擦力方向的两种基本图示。如图1，缓慢拉动K，可以观察到，刷毛向左弯曲，又因为长毛弯曲是由于地面的摩擦引起，可知地面对K的摩擦力方向向左。根据牛顿第三定律可知毛刷K对地面的摩擦力方向向右。如图2，缓慢拉动物体，可以观察到，刷毛向右弯曲，又因为长毛弯曲是由于物体的摩擦引起，可知物体对K的摩擦力方向向右。根据牛顿第三定律可知毛刷K对物体的摩擦力方向向左。毛刷的弯曲方向可以反映毛刷所受摩擦力的方向，是因为正是摩擦力使得毛刷发生弯曲。既然毛刷发生了弯曲，也就是发生了形变，那么弯曲的毛刷对与之接触的物体（图1中是地面，图2是物体）由于要恢复形变，产生力的作用，根据定义，我们知道这个力应该是弹力，方向与毛刷恢复形变的方向一致，图1对地面向右，图2对物体向左。对比前面所谈及的摩擦力，我们或许会得出这里的“弹力”和摩擦力之间存在着密切的关系。我再来看下面两个例子。

图3中的A所受的摩擦力和图1中的K所受的摩擦力，图4中的B所受的摩擦力和图2中的K所受的摩擦力本质上是一样的。这里的摩擦力是否也跟沿着接触面方向的弹力有关

系呢。我们只需设想图3和图4中两个相互接触面上是否发生着沿着接触面方向的微小形变。

那么这里就不得不仔细研究一下图3和图4中的摩擦力产生的机制。目前，关于摩擦理论主要有以下几种：（1）凹凸啮合理论，凹凸啮合理论认为，由于固体表面凹凸不平，当它们接触时，接触面上很多凹凸部分就互相啮合，两个面的凸起部分“微凸体”相互碰撞，产生断裂，摩损，形成了摩擦力。其中的相互碰撞其实就是弹力的一种表现，从这一层面上已经暗示了弹力和摩擦力在性质上的统一。（2）分子粘合理论，分子粘合理论认为，在外界正压力作用下，少量微凸体上的压强极大，大大超过了材料的弹性限度，接触处塑性变形形成粘着点。这时接触处两物体分子间距离已经小到分子力作用范围。两物体发生相对滑动时必须拉断粘合部分，这就是摩擦力。虽然该理论中没有指出弹力和摩擦力之间的密切关系，但是已经将摩擦力归纳到了电磁作用范畴。（3）综合理论，综合理论认为摩擦是一个综合过程，即要克服分子相互作用力；又要克服机械变形的阻力；发生在接触处的总的阻力就是摩擦力。

综上可以初步得出弹力和摩擦力在产生机制上存在性质上的密切关系，或者摩擦力中有部分的成分带有“弹力”的成分。也就是说弹力和摩擦力应该是同一种性质的力。这样在高中生看来也就不那么难于理解了。当然摩擦力中还有滚动摩擦这里就不再详细探究。

（此文在2013年7月江苏省物理学会举办的中学物理教学、教学改革和科学研究论文评比中获二等奖）