对摩擦力产生条件的再质疑

□深圳市龙岗区万科城实验学校　肖承江

对摩擦力产生条件的再质疑

□深圳市龙岗区万科城实验学校肖承江

【摘要】在学习和研究的过程中，对摩擦力产生的条件中“必须相互挤压或者有正压力”产生质疑。在依据前人关于摩擦本质的研究成果基础上，结合实验研究，认为“两个物体必须相互挤压或者有正压力”不应该作为摩擦力产生的必要条件，并提出“滑动摩擦力大小的计算公式为f=f0+μN”的猜想。

【关键词】摩擦力质疑依据实验研究

关于摩擦力的研究，经过前人几百年的艰苦努力，在摩擦力的概念、大小及产生条件等方面，形成了一定的共识。但是，关于“摩擦力的本质”、“摩擦力产生的条件”、“影响摩擦力大小的因素”等方面的一些质疑，在学界至今仍众说纷纭、没有定论。

近年来，关于摩擦力产生的条件的相关讨论和研究仍然很多。其中，龚劲涛老师在《物理教师》2008年第9期发表文章——《摩擦力产生条件的误区》，文中在解释“物体沿某不光滑的竖直墙壁下滑”的例子的基础上，提出摩擦力产生的条件必须有“相互挤压或者有正压力”这个条件是不适当的。这个观点引发了我的深入思考和研究，并找到了一些比较可靠和有力的依据。

首先，在摩擦凹凸说形成的过程中，法国物理学家库仑在证实了“摩擦力与压力成正比（第一定律）和摩擦力与接触面积无关（第二定律）”、提出“滑动摩擦时摩擦力与滑动速度无关（第三定律）”、总结出摩擦的凹凸说本质的过程中，还提出了静摩擦力大于动摩擦力的观点，并给出了关系图（图1）。我们从图中“F=A+μP”的关系式可看出P=0时，F=A。

其次，近代“粘附说”代表人物英国科学家F·P·鲍登和D·泰伯提出了如下重要结论：表面接触面积与真实接触面积差别很大，而且接触面积还会随摩擦条件而变化，两微凸体之间存在着吸附力而形成接点，摩擦力应为剪断金属间接点所需的力与硬金属表面微凸体在软金属表面犁沟所需力之和。并给出摩擦计算公式F=Ar×τm+τp，式中：Ar为实际接触面积；τm为接点的剪切强度；τp为犁削力。若接触表面较光滑，则τp=0。我觉得他们提出的观点，给我对“摩擦力产生条件”的质疑，提供了佐证。

再次，为质疑摩擦力的产生条件，我设计了一个相关的研究实验。现在我来介绍一下这个验证实验。这个实验的关键就是：如何实现物体之间相互接触却有没有相互挤压。我采用的是制造等厚度空间的办法。等厚度空间制造的具体操作步骤如下——

第一，选材。选择合适的板材，切成A（2块）、B（2块）、C（1块）三种型号的长方体，并分别在A和B板的合适位置钻大小和数量合适的孔。其中，A和C必须出自同一块板材，B与A、C可以相同也可以不同。A、B、C板材的平面示意如图2。

第二，组装。组装示意图如图3所示。

说明：在步骤2的基础上，再将另外一块B板盖在上方成步骤3。并用螺丝在步骤3的基础上将其固定，固定后称为组合体，这样在两块A板和两块B板中间造出了一个与C板厚度相同、宽度略大的空间。

第三，实验操作。

（1）把C板悬挂在弹簧测力计的挂钩上，让其自然下垂，待静止后记录下弹簧测力计的示数。

（2）将上述步骤3中由A和B及螺丝组成的组合体套在C板外面，松开双手让其自然竖直下垂。如图4所示。

（3）期间组合体可能会静止，也可能竖直下落，并记录下落过程中弹簧测力计的示数。

（4）换用其他材料再次做上述实验。

第四，数据记录。将上述实验数据记录在表1。

第五，实验分析。

（1）实验条件分析。C板与组合体之间相互接触，但无相互挤压。在上述实验中，组合体的中空厚度与C板厚度相同、中空宽度比C板宽度略大，所以，当组合体套在C板上时，能够恰好与两块B型板接触且不互相挤压。

（2）实验结果分析。从实验的现象看，组合体可能竖直下落，也可能静止。从实验记录的弹簧测力计的示数的变化看，说明在组合体竖直下落或者静止的过程中，对C板均产生了摩擦力的作用。

第六，得出实验结论。

根据以上的实验和分析，可以得出：相互接触的两物体发生相对运动或者相对运动趋势时，没有相互挤压或者说无正压力时，能产生摩擦力，即当N=0时，摩擦力不为零。这说明“摩擦力产生的条件必须相互挤压或者有正压力”的观点与实验事实不符。

综上所述，“两个物体必须相互挤压或者有正压力”就不应该再列为摩擦力产生的必要条件了。在此基础上，我们还可以大胆猜想：滑动摩擦力的大小f滑=f0+μN（其中，N=0时，f=f0，f0因接触面材料和粗糙程度的不同而不同）。关于这点，还需要进一步的研究。