從“最快的冰”開(kāi)始聊摩擦

□文/南京市玄武高級(jí)中學(xué) 張軍

北京冬奧會(huì)再次為世界呈現(xiàn)了一場(chǎng)精彩絕倫的盛會(huì)，與2002年鹽湖城冬奧會(huì)并列成為史上誕生速度滑冰奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄最多的冬奧會(huì)。高科技的應(yīng)用，讓冰面與冰刀之間的摩擦達(dá)到完美境界，難怪運(yùn)動(dòng)員們把“冰絲帶”稱(chēng)為“最快的冰”“最美的冰”（圖1）。

圖1

這一期，我們就來(lái)和大家聊一聊摩擦的話題。

摩擦的故事由來(lái)已久

風(fēng)在不停地吹，原始森林的樹(shù)枝間不停地發(fā)生摩擦，最終摩擦生熱也會(huì)引發(fā)森林大火。這是非常恐怖的災(zāi)難，來(lái)不及逃生的動(dòng)物都葬身火海。人類(lèi)的祖先在火災(zāi)后的森林里覓食，驚喜地發(fā)現(xiàn)被燒熟的肉更容易被撕碎，也更香、更可口。于是他們意識(shí)到，火是個(gè)好東西，得保留住火種，而且要安排專(zhuān)門(mén)的人看管火種。

那么，有沒(méi)有辦法自己動(dòng)手制造出火呢？多次的觀察與實(shí)踐之后，早期的人類(lèi)終于掌握了鉆木取火的技術(shù)。擁有了火，意味著擁有了溫暖和光明，意味著多了防御與攻擊的武器，意味著可以開(kāi)疆辟土，意味著可以冶煉礦石——文明的多扇窗口都即將被打開(kāi)。人類(lèi)從此告別茹毛飲血的時(shí)代，和其他動(dòng)物分開(kāi)，走上了文明的創(chuàng)造與演進(jìn)之路。

石頭是人類(lèi)早期最常使用的工具之一，可以投擲，可以堆砌，可以敲擊，可以將獸皮劃開(kāi)，可以在地面、樹(shù)木、巖壁上刻畫(huà)記號(hào)。而且，將撿來(lái)的石頭進(jìn)行敲擊、捶打之后，用起來(lái)更趁手。這樣的生活持續(xù)了上百萬(wàn)年，人們嘗試用各種方法讓石頭的凸起部更尖銳，讓石片的邊緣更鋒利——磨制石器的時(shí)代到來(lái)了（圖2）。

圖2

有些石頭在敲擊、打磨時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，這讓人類(lèi)又多了一種生火的方法——火鐮被發(fā)明出來(lái)了。火鐮利用的也是摩擦生火的原理，火鐮與火石反復(fù)猛烈擦刮，產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃了干草，火就來(lái)了。很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，火鐮都是人們的隨身攜帶品，甚至在新中國(guó)成立后，鄉(xiāng)村中還有人在使用它（圖3）。

圖3

火柴和煤油打火機(jī)的引火，依然用到了摩擦手段（圖4、圖5）。

圖4

圖5

摩擦的對(duì)象、摩擦的手段不停進(jìn)化，人類(lèi)也慢慢地由爬行變?yōu)橹绷ⅲ瑥淖鍪謩?shì)發(fā)展到用語(yǔ)言交流，從操作有形的工具到掌握更現(xiàn)代的手段，把探索的目光投向更高、更遠(yuǎn)、更精微的地方。

摩擦幾乎無(wú)處不在。劃水時(shí)，水和肌膚表面間發(fā)生著摩擦；騎車(chē)時(shí)，空氣與頭盔表面發(fā)生著摩擦；夾菜時(shí)，手和筷子之間、菜肴與筷子之間都發(fā)生著摩擦；潮汐時(shí)，海水與海底以及海水之間都發(fā)生著摩擦。隕石穿過(guò)大氣層，會(huì)因摩擦而溫度升高，發(fā)出耀眼光芒（圖6）。這時(shí)，我們會(huì)歡快地說(shuō)：“瞧，流星！”

圖6 供圖/視覺(jué)中國(guó)

在木材加工車(chē)間，電鋸鋸木頭時(shí)的摩擦?xí)屇绢^的溫度急劇升高，有時(shí)木頭會(huì)燃燒起來(lái)。用電鉆鉆木頭時(shí)，會(huì)明顯地看到鉆孔處的木頭被燒焦。（圖7）

圖7

今天我們還會(huì)用石磨磨豆?jié){（圖8），依然會(huì)本能地用搓手的方法給手取暖，用跺腳的方法給腳取暖。從科學(xué)原理上說(shuō)，就是用做功的方法改變物體的內(nèi)能，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

圖8

摩擦讓我們周?chē)椴检o電

物質(zhì)由大量分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子又由夸克構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電，中子不帶電。對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，原子核里的質(zhì)子數(shù)量與核外的電子數(shù)量總是相等的，所以原子不顯電性。組成我們?nèi)梭w的質(zhì)子、中子、電子與組成石頭、樹(shù)木的質(zhì)子、中子、電子并無(wú)不同。

原子核里的質(zhì)子數(shù)量是很難改變的，核外的電子卻可以擺脫原子核的束縛，在物體之間轉(zhuǎn)移。事實(shí)上，任意兩個(gè)物體在接觸時(shí)，它們之間都會(huì)有電子在轉(zhuǎn)移。得到電子的物體因?yàn)橛辛硕嘤嗟呢?fù)電荷而帶上負(fù)電，失去電子的物體則因?yàn)樨?fù)電荷少了而表現(xiàn)出正電。摩擦是一種劇烈的接觸方式，當(dāng)然會(huì)發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，這就是摩擦起電現(xiàn)象。相互摩擦的兩個(gè)物體總是帶上等量的異種電荷。課本上常舉玻璃棒和絲綢摩擦、橡膠棒和毛皮摩擦的例子，但是我們家里不常備這類(lèi)材料。其實(shí)，用吸管、紙巾，或者氣球、毛巾甚至頭發(fā)就可以做摩擦起電的實(shí)驗(yàn)。

將一小截吸管豎直插入泡沫中，或者用塑料膠帶固定于桌面，作為支架。拿一支長(zhǎng)吸管，用牙簽穿過(guò)其中部，然后將牙簽插入作為支架的吸管中。另取一支吸管，用紙巾摩擦后靠近插入支架中的吸管。如果兩支吸管帶上了同種電荷，則會(huì)相互排斥。如果帶上了異種電荷，或者一支帶電、一支不帶電，二者則會(huì)相會(huì)吸引（圖9）。

圖9

摩擦起電的現(xiàn)象在生活中極為普遍，梳頭時(shí)梳子摩擦頭發(fā)，吊扇旋轉(zhuǎn)摩擦空氣，包裝盒外面的塑料薄膜摩擦紙盒，行走時(shí)鞋底摩擦地毯，都會(huì)起電。我們所穿的衣服，與干燥的空氣摩擦?xí)痣姡c人體摩擦?xí)痣姡挛锱c衣服之間摩擦也會(huì)起電。

在容易導(dǎo)電的物體上，比如金屬、人體、酸堿鹽溶液等，摩擦所起的電會(huì)被迅速傳走；而在不容易導(dǎo)電的物體上，比如塑料、玻璃、化纖、毛紡織物等，電荷很容易聚集形成靜電。當(dāng)帶靜電的物體接觸到與它有電位差的物體時(shí)，電子就會(huì)轉(zhuǎn)移，發(fā)生中和或放電現(xiàn)象。電子在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，會(huì)加熱移動(dòng)路線周?chē)目諝猓沟每諝獍l(fā)光，還會(huì)發(fā)出聲音。冬天在黑暗中脫衣服時(shí)，常會(huì)看到火花，并聽(tīng)到“噼噼啪啪”的聲音，這就是摩擦帶電的衣服放電時(shí)產(chǎn)生的。有時(shí)，我們用手觸摸金屬物體，比如門(mén)把手、公交車(chē)上的金屬扶手，身上帶的電會(huì)通過(guò)手傳導(dǎo)到金屬物體上，手上會(huì)有針刺般的痛感，如果是在黑暗中，還能看到小火花。人體的靜電放電現(xiàn)象，在干燥的冬季更容易發(fā)生。閃電其實(shí)也是強(qiáng)烈的靜電放電現(xiàn)象。

塑料袋很容易摩擦起電，與附近的物體相吸引。我們可以用塑料袋做一個(gè)好玩的實(shí)驗(yàn)。用剪刀將塑料袋剪下一個(gè)圓環(huán)，用毛皮摩擦。用同樣的方法摩擦一根PVC管，然后將薄薄的塑料圓環(huán)拋向空中，用PVC管在下方指揮，可讓塑料環(huán)懸浮在空中——PVC管與塑料環(huán)因帶上同種電荷而相互排斥（圖10）。但是，你很難一次就做成功，因?yàn)閹想姷乃芰蠄A環(huán)會(huì)死皮賴臉地吸在你的衣服上、手腕上，甩也甩不開(kāi)。取一小截捆扎用的塑料繩，撕成一條條的細(xì)絲，也可以在PVC管的“指揮”下懸浮在空中。

圖10

用靜摩擦力施“魔法”

手拿著一個(gè)木塊，抬到一定高度，此時(shí)如果放手，木塊會(huì)沿豎直方向掉落，因?yàn)樗艿降闹亓Ψ较蚴秦Q直向下的。如果手從下方托著木塊，木塊則不會(huì)掉落，因?yàn)槭质┘恿讼蛏系闹С至Γ梢耘c重力平衡。如果兩只手從兩側(cè)夾著木塊，木塊也不會(huì)掉落，但是手夾木塊的力是沿水平方向的啊，究竟是什么力平衡了重力呢？

木塊相對(duì)于手掌面，有下落的趨勢(shì)；手掌面阻礙了木塊下落的趨勢(shì)，對(duì)木塊有一個(gè)豎直向上的靜摩擦力。如果適當(dāng)減少兩手對(duì)木塊的壓力，木塊可以在兩手掌間下滑，這時(shí)靜摩擦力就變成了滑動(dòng)摩擦力。由于靜摩擦力的存在，我們能將多個(gè)木塊夾起來(lái)（圖11）。

圖11

利用靜摩擦力還可以做很多好玩的實(shí)驗(yàn)，下面給大家介紹兩個(gè)。

實(shí)驗(yàn)一：拉不開(kāi)的書(shū)。找兩本等厚的書(shū)，書(shū)頁(yè)逐頁(yè)交替對(duì)插，對(duì)插完畢后，將書(shū)拍緊，不要讓書(shū)頁(yè)間留出大的空隙。這時(shí)，你再試圖將兩本書(shū)拉開(kāi)，就困難了（圖12）。有人曾做過(guò)實(shí)驗(yàn)，將兩本《南京大黃頁(yè)》對(duì)插起來(lái)，用兩輛SUV車(chē)都拉不開(kāi)！

圖12

實(shí)驗(yàn)二：筷子提米。有這樣一個(gè)魔術(shù)節(jié)目，魔術(shù)師將一根筷子插到茶杯里，然后在筷子周?chē)障短幦錾厦祝簩?shí)。米裝滿后，魔術(shù)師把筷子往上一提，米和杯子居然被一起提了起來(lái)！在家里，我們可以自己動(dòng)作做一做、試一試。做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的訣竅是每加一層米，都要在米上撒些水。一方面，米粒會(huì)通過(guò)水吸附到一起；另一方面，米粒吸水后膨脹，相互之間擠壓得更厲害，可以增大靜摩擦力（圖13）。

圖13

說(shuō)不盡的摩擦

生活中，摩擦無(wú)處不在。

清晨睜開(kāi)眼，你的眼皮與眼球在不知不覺(jué)中完成了摩擦。從床上坐起來(lái)，如果沒(méi)有摩擦，你可能就直接從床上滑到地上了，在地面上還會(huì)繼續(xù)滑動(dòng)。不、不，沒(méi)有摩擦，你在床上根本坐不起來(lái)。沒(méi)有摩擦，你幾乎不可能抓起衣服，抓住了也會(huì)輕易脫手，穿到身上也很容易滑下。

在你刷牙時(shí)，摩擦再次重復(fù)發(fā)生。牙膏一方面幫助清潔口腔，另一方面提供潤(rùn)滑，讓牙齒表面不至于過(guò)早發(fā)生磨損。洗臉時(shí)，摩擦在；走路時(shí)，摩擦在；吃飯時(shí)，摩擦也在。

沒(méi)有了摩擦，我們的生活將難以想象。但是，摩擦大了也不行。摩擦?xí)衍?chē)輪上的花紋磨平，會(huì)讓馬路開(kāi)裂，會(huì)讓桌腿磨損。摩擦?xí)臋C(jī)械能，降低機(jī)器的工作效率。

2006年的調(diào)查認(rèn)為，全國(guó)8個(gè)工業(yè)部門(mén)（冶金、能源化工、鐵道機(jī)車(chē)、航空航天、汽車(chē)、船舶、軍事裝備、農(nóng)業(yè)裝備）消耗在摩擦、磨損和潤(rùn)滑方面的資金約為9 500億元；如果正確運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)，節(jié)省的人民幣估計(jì)可達(dá)3 270億元。

初中物理課本對(duì)滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、靜摩擦進(jìn)行了基本的介紹，高中物理課上會(huì)有關(guān)于摩擦力的分析與計(jì)算等。但是，究竟什么是摩擦呢？人類(lèi)至今也沒(méi)有完全研究透。摩擦學(xué)已經(jīng)成為一門(mén)專(zhuān)門(mén)的學(xué)問(wèn)，與材料、地質(zhì)、生態(tài)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相互交叉。

不同的冰上運(yùn)動(dòng)對(duì)冰的要求也不同，比如冰壺運(yùn)動(dòng)要求冰面不能太光滑平整，而高速滑冰則要求冰面光滑平整，并且對(duì)冰面穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，冰面軟了會(huì)減緩滑速，冰面硬了則容易打滑、摔倒。“冰絲帶”制作出“最快的冰”，是制冰方法、溫度感知、冰面溫度控制、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域的高科技綜合運(yùn)用的結(jié)果（圖14）。

圖14 供圖/視覺(jué)中國(guó)

我們還能如何利用摩擦或克服摩擦呢？摩擦還能帶給我們什么啟發(fā)呢？也許科學(xué)的魅力正在于此，不斷地揭示真相，又不斷地發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，讓我們一步步接近真理。