最大静摩擦力的惯性因素探讨

2017-12-28孙崇江

宿州教育学院学报 2017年6期

关键词：惯性摩擦力趋势

孙崇江

（成都工业职业技术学院四川·成都 610000）

最大静摩擦力的惯性因素探讨

孙崇江

（成都工业职业技术学院四川·成都 610000）

本文通过对最大静摩擦力的分析、研究，提出①最大静摩擦力主要由两个因素构成：静摩擦力阻碍物体相对运动是首要因素、物体所具有的惯性（即具有惯性特征量）是其重要因素。②最大静摩擦力是由的阻碍作用和具有保持原来静止状态的本质所共同产生的作用效果决定的，即最大静摩擦力可表示为。

最大静摩擦力；惯性；惯性特征量；惯性质量

一、最大静摩擦力定义上的先天不足

摩擦力是牛顿力学中常见的三种力（重力、弹力、摩擦力）之一，其定义、特性、公式、条件、分类等内容在各级各类、不同层次的物理学书籍中都有详细的介绍，并且一直以来其内容的描述形式变化都不大的。长期以来物理学教学在不断地传承这些内容，基本上没有对这些内容提出过质疑。那么，有关摩擦力，尤其是静摩擦力、最大静摩擦力的内容是不是就一定是经典了呢？是否就无懈可击了呢？笔者认为应该对静摩擦力、特别是最大静摩擦力的相关知识进行再认识，因为长期以来我们就没有把静摩擦力、最大静摩擦力与物体所具有的惯性的因素并列起来讨论问题，从而导致我们对“最大静摩擦力”的认识含混不清。最重要的是诸如 “物体具有运动趋势”、“静摩擦力随运动趋势增大而增大”、“静摩擦力的最大值”等此类模糊概念的引人，掩盖了我们对最大静摩擦力所隐含的惯性本质的认识。

首先，我们来看看现行教科书对静摩擦力、最大静摩擦力的定义：当两个彼此接触且相互挤压的物体之间没有发生相对滑动，但它们之间存在相对运动的趋势时，在它们的接触面间上产生一种阻碍物体间发生相对运动的力，这种力叫做静摩擦力，静摩擦力的大小和方向与两个相互接触且存在挤压的物体之间的相对运动趋势有关。实验表明，当运动的趋势增大时，静摩擦力也随着增大，但静摩擦力的增大有一个限度，这个静摩擦力的最大值叫做最大静摩擦力，最大静摩擦力在数值上等于将要发生相对运动时的摩擦力，而两物体间实际发生的静摩擦力在0与之间。这一定义的要点是：把物体受外力作用而没有沿外力方向发生运动状态改变的原因完全归咎于两物体的接触面之间存在摩擦力或静摩擦力，并且，还在此时此刻引出“物体具有运动趋势”的概念。如下图：

现行教科书中在讨论到这一问题时普遍都认为，当相互接触的两个物体其中之一受外力作用时，首先考虑的就是：由牛顿第二定律，则只要物体所受，即使这个合外力非常微小，如有，必有，即物体的运动状态就要发生变化；其次，在研究实际情况中，当物体接触面间不是光滑的时，物体并没有因为而出现的现象，事实上，仍然为零（），即物体的运动状态没有改变。此时经典力学的解释是：因为物体接触面间存在静摩擦力，如有，但是，，即物体仍处于静止状态。注意：最根本的问题就出在公式上，该公式就是将上述条件下物体仍处于静止状态的原因完成归咎于物体接触面之间的摩擦力，而忽略了物体具有保持原来运动状态的本性——即忽略了惯性的因素。

笔者认为：①正是因为物体具有惯性的原因，其具有保持静止状态的本性，才使物体在静摩擦力及保持静止状态本性因素这两个条件下而处于静止状态，即此时的物理过程应该理解为，由于静摩擦力的存在使物体的运动状态没有最初的改变，再加上物体具有惯性因素——此处可将“物体保持原来运动状态”理解为“物体具有抵抗外界改变其运动状态的本领”的特征，所以物体保持静止状态。②在物体处于最大静摩擦的临界状态时，此时的物理过程不是“物体运动趋势”不断增大至临界突变状态，而是物体接触面间因为有静摩擦力的存在的同时又具有保持静止状态的本领——抵抗外界改变其运动状态的本领，而使物体处于该临界状态。所以“物体具有运动趋势”状态这一说法显然不符合客观实际情况的，这一过程的物理实质是：物体因惯性继续保持原来的运动状态，只有当物体的运动状态达到临界突变条件时，才说得上“物体具有运动趋势”。③为了讨论问题方便，我们把“物体具有保持静止状态的本性”称之为“惯性特征量”，其物理意义将在后面详细讨论。

二、摩擦力的惯性因素认识溯源

但是，当我们在研究物体（接触面有摩擦力存在时）由静止开始受力的力学问题时，我们除了认识到物体的接触面之间存在摩擦力外，就一而再、再而三地不断考虑静摩擦力、运动趋势的状态增大、静摩擦力进一步增大、最大静摩擦力等等，陷入摩擦力的混沌状态而不能自拔。因而没有认真、正确地考虑静摩擦力、最大静摩擦力的惯性因素，使我们对这一物理过程产生认识上的偏差；同时，也由于这一物理过程伴随物体运动状态的临界突变，使我们在研究问题时也容易忽视静摩擦力、最大静摩擦力的惯性因素。

通过以上的讨论我们可以看出：我们在认识静摩擦力、最大静摩擦力的过程中确实是忽视了最大静摩擦力的惯性因素。