日常生活中的摩擦力知识应用

 力学论文     |     by 艾维学术     |      2018-12-27 11:12

  摘    要: 两个相互接触的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时, 就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的摩擦力。摩擦力与我们的实际生活息息相关, 并起着非常重要的作用。在物理学中, 摩擦力也是最常见和最重要的力之一, 在理论分析时, 有的摩擦力可以通过具体的公式进行计算, 而有的则要根据实际情况具体分析才能计算出来。

  关键词: 实际生活; 摩擦力; 理论; 物理;

  摩擦是一种极为普遍的力学现象, 不仅固体与固体的接触面上有摩擦, 固体与液体的接触面或固体与气体的接触面上也有摩擦。日常生活中摩擦应用的例子有很多, 人类行走需要摩擦, 车辆刹车需要摩擦, 皮带传动需要摩擦等等。在物理学习中, 对物体进行受力分析常常会涉及摩擦力, 由于摩擦力的广泛存在, 受力分析中要具体问题具体分析。

  1、 人们步行过程中的摩擦力

  人们日常行走时, 人相对于地面是前进的, 依靠的是地面与鞋底之间的摩擦力的作用。人在前进时, 鞋底相对于地面具有向后滑动的趋势, 产生了静摩擦力, 而摩擦力的方向与相对运动或具有相对运动趋势的方向相反, 所以鞋底受到的摩擦力与人前进的方向不是与人运动的方向相反, 而是一致的。此时, 摩擦力是阻碍鞋底与地面相对运动的力, 并不是阻碍人们运动的力。因静摩擦系数的大小主要与接触面的材料及接触面表面状况 (粗糙程度、湿度、温度) 有关, 为了增加物体间的摩擦力, 人们采用增大静摩擦系数的办法, 日常采用的方法很多, 如:鞋底会有很多规则或不规则的条纹、铺设粗糙的防滑地板、斜坡上密布的条纹等等, 达到了防滑的效果。

  2、 儿童在滑梯滑动过程中的摩擦力

  滑梯是儿童体育活动的一种器械, 在城市广场、游乐园等地方, 普遍建造了滑梯。儿童在滑梯下滑时, 阻力为儿童身体与滑板间的摩擦力, 摩擦力阻碍儿童身体下滑, 其方向与下滑方向相反;下滑动力为下滑方向的重力分量, 其方向与摩擦力方向相反, 其值大于摩擦力的值, 所以儿童下滑时, 速度越来越大。滑板板面的坡度不同时, 在下滑方向上所受到的重力分力大小也不同;并且因重力对板面的垂直分量的大小也不同, 引起摩擦力的大小也发生改变。滑板的倾角越大时, 下滑动力越大, 摩擦力越小, 下滑的加速度也越大, 速度增加的就越快。滑板的倾角变小时, 下滑动力变小, 摩擦力变大, 下滑的加速度也越小, 速度增加的就越慢。

  3、 传送带传输物体过程中的摩擦力

  在现实生活中, 常常采用传送带传输物品;在物理学习时, 对传送带传输物品进行受力分析是非常必要的。为简化分析, 在进行受力分析前, 做如下初始条件限制:传送带以一定的速度水平运动, 并且传送带足够长, 即传送带上各点做水平的匀速直线运动;同时, 物体相对于地面的水平方向的初速度为零;传送带的速度较小, 物体被传输时的风阻忽略不计。

  在传输水平方向的初速度为零的物品时, 物体在其与传送带之间的摩擦力的作用下, 在传送带上作加速直线运动, 并加速到与传送带的速度一致。此时, 它与传送带之间即没有相对滑动现象, 也没有相对滑动的趋势。因此, 被传送物品受到的摩擦力为零, 在运动方向不再受到摩擦力的作用。

  有的人在进行物理理论分析时, 往往错误的认为, 在传送带上被传送的物品的运动为匀加速直线运动, 当被传送物品的速度与传送带的速度相等时, 它们之间的摩擦力会突然变为零。他们在此思路引领下, 在解题过程中往往得到如下结论也就不足为怪了, 过程如下:

  初速度为零的物品匀加速直线运动的速度:V物=V带=at

  

  式中, V物为被传送物品的速度, V带为传送带的运动速度, a为加速度, t为加速时间, f为被传送物品受到的动摩擦力, u为物体与传送带间的动摩擦系数, m为物体的质量, g为重力加速度。

  上述结果是错误的, 没有正确地分析物品在传送带上的运动过程。仔细分析可以发现, 物品在传送带上的加速运动并不是匀加速直线运动, 而是变加速直线运动。也就是说, 被传送的物品与传送带之间的摩擦力是一个变力, 而不是恒定不变的力。因此, 分析这一现象时, 不能简单的认为动摩擦系数u为恒定的, u不仅决定于物品与传送带的材料和表面情况, u还与物品与传送带的相对速度有关, 随相对速度减小而略有减小。在我们把物品放上传送带时, 物品受到传送带对它施加的一个滑动摩擦力的作用, 随着物品运动速度的不断增大, 它与传送带之间的滑动摩擦力系数也就越来越小, 物体的受到的摩擦力逐渐减小, 物品的加速度随之逐渐减小。当被传送物品的速度等于传送带的速度时, 二者相对于地面做匀速直线运动, 无相对滑动现象。因为动摩擦系数不易测得, 在此过程中, 可用动能定理或动量定律计算摩擦力的大小, 只是用此方法得出的摩擦力的大小是一个平均值。

  平时, 我们把物品放上传送带时, 感觉物品与传送带以同样的速度进行运动, 而没有感觉物品加速过程。这是因为传送带的运行速度较低, 物品的加速过程瞬间完成, 以致于我们无法感觉到。

  上述结果是水平方向的初速度为零的物品与传送带之间的摩擦力的受力分析。物品相对于地面运动的水平初速度大于传送带时, 放置在传送带进行输送的受力分析, 也可采用此方法。此时, 物品会受到一个传送带施加的与运动方向相反的滑动摩擦力, 以阻碍物品与传送带的相对运动。随着物品运动速度的不断减小, 它与传送带之间的滑动摩擦力系数也就越来越小, 物体的受到的摩擦力逐渐减小, 物品的加速度随之逐渐减小。在逐渐减小的变摩擦力作用下, 物品相对于传送带做变减速直线运动, 直至二者的速度相等时为止。其后, 二者一起做匀速直线运动。

  4、 汽车运动过程中的摩擦力

  随着汽车工业的大力发展, 加上人们对生活品质和工作效率的追求, 汽车日渐成为人们的出行工具, 汽车行进中的摩擦力逐渐成为物理学的受力分析的常见问题。行驶中的汽车, 不论是加速行驶还是减速行驶, 车轮与地面之间都会产生相对滑动, 在车轮与地面间就会产生一个滑动摩擦力, 以阻碍它们之间相对滑动。汽车在匀速直线行驶的过程中, 瞬间与地面接触的车轮外缘上各点, 与地面无相对滑动现象, 轮胎与地面间发生静摩擦;此时, 由于轮胎接触点相对于地面的瞬时线速度为零, 在地面上就会留下清晰的轮胎花纹痕迹;同时, 这也印证车轮周边与地面接触的时刻, 两者并无相对滑动。然而, 虽然两者并无相对滑动, 但是车轮接触点与地面之间存在相对滑动的趋势, 车轮依然受到地面施加的静摩擦力的作用, 摩擦力的方向为汽车运动方向。

  汽车在运动过程中, 如果车轮做纯滚动运动, 那么它就受到静摩擦力的作用;如果在车轮和地面接触处存在塑性形变, 那么就会产生滚动摩擦;车轮与地面发生相对滑动时, 车轮会受到地面施加的滑动摩擦力的作用;同时, 汽车在运动过程中, 由于车身与空气之间发生相对运动, 也会产生一个空气施加的摩擦力的作用。

  因此, 汽车在水平公路上正常行驶时, 因静摩擦力很小, 车轮可近似为纯滚动, 则其合力矩为:

  汽车在水平路面上行驶时, 如果车轮与地面之间发生滑动摩擦, 车轮所受到的合力矩为:

  特别是汽车车轮在水平公路上匀速行驶时, 其转轴质心所受力矩为:

  又由于M滚非常小, 即M滚近似为零, 于是:

  为汽车的牵引力, 因而汽车在水平公路上匀速行驶时, 车轮受到的静摩擦力与牵引力近视相等。

  在刹车过程中, 汽车车轮与在地面上滑动, 由于滚动摩擦与空气阻力远小于滑动摩擦的作用, 因而汽车刹车时主要是滑动摩擦的作用。这时, 用动能定理或动量定律来对摩擦力进行求解。

  5、 结语

  摩擦力是最常见的力之一, 实际生活中处处可见, 没有摩擦力的存在, 行走、吃饭、写字等活动将无法进行。物理学对摩擦力进行了重点研究, 通过对摩擦力的理论分析, 积极合理地利用摩擦力, 最大限度地造福人类, 减少摩擦对人们造成的不利影响, 让物理学知识在生活中得到充分的利用。

  参考文献:

  [1]人民教育出版社物理室.全日制普通高级中学物理 (第一册) [M].北京:人民教育出版社, 2006.


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