摩擦力的研究與應用

李康月

(河北省唐山市宏文中學 063000)

一、靜摩擦力研究與實踐

例1 一小木塊放在水平桌面上用一彈簧測力計水平拉動，在彈簧測力計的指針下輕塞一個小紙團，它可以隨指針移動，并作為指針到達最大位置的標記(如圖，繼續用力，當拉力達到某一數值Fmax時木塊開始移動，此時拉力會突然變小到F0.

答：由圖2示意圖看出，斜線表示物體不動時靜摩擦力隨拉力的增大而增大，當拉力增大到某一數值Fmax時，摩擦力也增大到某一最大值Fmax，此時摩擦力突然減小(在圖線的折線段)，再增大拉力，摩擦力也不變，說明摩擦力變為滑動擦力.由此可看出，當靜摩擦力達到最大值Fmax時，木塊便開始移動.

例2 基本概念和易混淆的“三個方向”辨析

1.對定義中關鍵詞的理解

(1)“相對靜止”有兩層含義：一是兩個物體都靜止，二是兩個物體都做速度相同的運動，其中速度相同的運動包括一起做勻速直線運動和一起做初速度和加速度都相同的變速運動.

(2)“相對運動趨勢”：相對運動趨勢即可由外力引起，也可由接觸物體的運動狀態發生改變而引起，如圖3所示的箱子靜置在平直的公路上行駛的平板車上，顯然箱子在水平方向上不受其他外力的作用，當平板車勻速前進時，箱子與平板車之間沒有相對運動趨勢，故無靜摩擦力.當平板車加速、減速、減彎時，箱子相對于平板車分別有向后、向前、向外的相對運動趨勢.

(3)“阻礙”：說明了靜摩擦力的作用效果，阻礙物體間的相對運動趨勢.靜摩擦力既可與物體的運動方向相同作動力，也可與物體的運動方向相反作阻力.例如上例中的平板車做加速運動，箱子相對車箱靜止，那么，靜摩擦力相對箱子而言是動力；若平板車做減速運動，箱子相對車箱靜止，那么，靜摩擦力相對箱子而言是阻力.

(4)產生條件：①兩物體在接觸面上有擠壓；②接觸面不光滑；③兩物體間有相對運動趨勢.

(5)大小：如圖4所示，水平面上放一靜止的物體，當人用水平力F推時，此物體靜止不動，這說明靜摩擦力的大小等于F；當人用2F的水平力去推時，物體仍靜止不動，此時靜摩力的大小為2F.可見，靜摩擦力的大小隨推力的增大而增大，所以說靜摩擦力的大小由外部因素決定.當人的水平推力增大到某一值Fmax時，物體就要滑動，此時靜摩擦力達到最大值，我們把Fmax叫做最大靜摩擦力，故靜摩擦力的取值是：0≤F≤Fmax.

2.易混淆的“三個方向”的辨析

運動方向：物體的運動方向一般指物體相對地球(地球為參考系)的運動方向.

相對運動方向：物體間的相對運動方向，指以其中一個物體A為參考系，另一個物體B的運動方向，即為物體B相對A的運動方向，反之也可.

相對運動趨勢的方向：即由于兩物體間靜摩擦力的存在導致的能發生而沒有發生的相對運動方向，因此我們可用假設法(假設無靜摩擦力)判定.

二、滑動摩擦力研究

(1)定義：當一個物體在另一個物體表面滑動的時候，會受到另一個物體阻礙它滑動的力，這種力叫做滑動摩擦力.

(2)大小：實驗表明，滑動摩擦力的大小跟壓力成正比，也就是跟兩個物體表面間的垂直作用力成正比.如果用F表示滑動摩擦力的大小，用FN表示壓力的大小，則有F=μFN.

對公式F=μFN的理解與應用:①μ是比例常數，叫做動摩擦因素.物理意義：反映接觸面本身特性的物理量，它與接觸面的材料、粗糙程度有關，與接觸面積大小無關，與物體的運動狀態無關，與物體的受力情況無關，沒有單位.②滑動摩擦力F大小與FN成正比，與物體的運動狀態無關.③公式F=μFN中的FN是兩個物體接觸面間的壓力，俗稱“正壓力”.

(3)產生條件：①兩接觸的物體必須相互擠壓，發生形變，有彈力；②兩物體間發生相對滑動；③兩接觸面不光滑.

(4)方向：①滑動摩擦力的方向總是跟它們的接觸面相切并且跟它們相對運動的方向相反.②判定滑動摩擦力的方向的方法

第一步，滑動摩擦力的方向總跟接觸面相切；

第二步，確定物體間的相對運動方向，先選取其中一個物體為參考系(假設為靜止)，判定另一個物體的運動方向，即為相對運動的方向；

第三步，物體所受滑動摩擦力的方向一相對另一物體的運動方向相反.

③滑動摩擦力方向可能跟物體的運動方向相反，也可能跟運動方向相同.

(5)續表

滑動摩擦力靜摩擦力方向判斷(1)選取受力物體(2)確定施力物體(3)判斷受力物體相對施力物體的運動方向(4)滑動摩擦力方向與相對運動方向相反(1)選取受力物體(2)確定施力物體(3)利用假設法判斷受力物體相對施力物體的運動趨勢方向(4)摩擦力方向與相對運動趨勢方向相反

三、摩擦力大小的計算

在計算摩擦力的大小之前，必須首先分析物體的運動情況，判斷是滑動摩擦力還是靜摩擦力.

1.滑動摩擦力大小的計算

滑動摩擦力力的大小遵從摩擦定律，即Ff=μFN.式中μ叫動摩擦因素，它的數值跟兩個相關物體的材料和接觸面的粗糙程度有關；FN是接觸面的正壓力，它與物體的重力G是兩種不同性質的力，FN的大小，方向與G的大小、方向均不一定相同.滑動摩擦力力Ff的大小跟物體的運動速度、接觸面面積的大小沒有關系.計算滑動摩擦力的大小的關鍵是根據平衡方程或動力學方程(后面將學習)計算壓力FN的大小.

2.靜摩擦力大小的計算

靜摩擦力問題一般應根據物體的運動情況(靜止、勻速運動或變速運動)，利用平衡方程或動力學方程(后面將學習，現在可用二力平衡的知識)求解，靜摩擦力的大小與物體的運動情況有關，其數值在0～Ffmax之間(Ffmax為最大靜摩擦力)，Ffmax略大于滑動摩擦力Ff，通常可近似認為Ffmax=Ff.

[1]張婧. 高中物理力學解題策略探究[J]. 高中數理化，2016(24).