不同因素对动摩擦系数的影响探究

余凡

摘 要：通过具体的实验来探究影响不同因素对动摩擦因数的影响，即分别开展变量为温度、体积和材料的实验来探究这三种变量对动摩擦因数具体的影响。实验结果表明：随着温度的上升，动摩擦因数会明显下降;不同材料之间的动摩擦因数变化很大;体积对动摩擦因数没有明显的影响。

关键词：动摩擦因数;温度;体积;材料

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.17.102

0 引言

在中学阶段介绍的动摩擦力计算公式是μ=f/N（f为动摩擦力，N为正压力，下同），但是这个公式仅仅是一个粗略计算摩擦力的经验公式[1]，并不能反应动摩擦因数受哪些变量的影响，随着研究的深入，摩擦力的公式会变得越来越复杂。动摩擦因数其实受很多因素的影响，这可以用一个多元函数来表示：μ=f（T，ρ，P…）（T为温度，ρ为密度，P为压强，下同）。根据现有公开资料，几乎没有具体研究不同变量对动摩擦因数影响的文献资料。本文根据这一情况，通过实验的手段，具体研究接触物温度、施压物体积、不同接触材料等变量对动摩擦因数的影响，为动摩擦因数的研究提供数据支撑。

1 实验原理及系统

本文探究三种变量（即温度、体积和材料）对动摩擦因数的影响，并采用相似的实验系统，即安排上下两个不同物体，通过测出它们之间的支持力N、摩擦力f，再根据公式μ=f/N求出动摩擦系数μ。

1.1 探究温度对摩擦系数影响的系统及原理

本实验探究实验温度分别为：-18℃、常温（约15℃）、大火加热铁板3分钟（约300℃），让铁板在这三个温度之间变化。本实验系统主要的实验对象是两块相同的铁板。

第一次将两块铁板放入冰箱冷冻柜中足够久的时间，目的是使其温度降为-18℃。然后将一块铁板置于水平地面，另一块水平放置在第一块铁板上，用弹簧测力计水平拉动上面的铁板，测出其间的滑动摩擦力f，再测出铁板的重力N（其值即为两块板之间的压力），最后根据公式μ=f/N，求得动摩擦系数μ。

第二次将两块铁板置于室内足够久的时间，目的是使其温度与室温一致，约为15℃。将一块铁板置于水平地面，另一块水平放置在第一块铁板上，用弹簧测力计水平拉动上面的铁板，测出其间的滑动摩擦力f，再测出铁板的重力N（其值即为两块板之间压力），最后根据公式μ=f/N，求得動摩擦系数μ。

第三次将两块铁板置于煤气灶上，开大火灼烧3分钟，目的是将铁板温度加热至约300℃。将其置于水平地面，另一块水平放置在第一块铁板上，用弹簧测力计水平拉动上面的铁板，测出其间的滑动摩擦力f，再测出铁板的重力N（其值即为两块板之间压力），最后根据公式μ=f/N，求得动摩擦系数μ。

1.2 探究材料对摩擦系数影响的系统及原理

本实验探究的不同材料分别为：木板、铁板。分别让木板与铁板上下叠放并让它们进行相对运动，通过测出两板之间的压力和摩擦力，求出动摩擦系数μ。本实验主要对象是两块铁板与一块木板。

第一次将木板置于水平地面上，取一块铁板水平放置在木板上，用弹簧测力计水平拉动上面的铁板，测出其间的滑动摩擦力f，再测出铁板的重力N（其值即为两块板之间压力），最后根据公式μ=f/N，求得动摩擦系数μ。

第二次将一块铁板置于水平地面上，取另一块铁板水平放置在第一块铁板上，用弹簧测力计水平拉动上面的铁板，测出其间的滑动摩擦力f，再测出铁板的重力N（其值即为两块板之间压力），最后根据公式μ=f/N，求得动摩擦系数μ。

1.3 探究体积对摩擦系数影响的系统及原理

本实验探究的变量为体积，体积分别为V1（320g砝码+740g铁板的体积）与V2（320g纸张+740g铁板的体积），V2>V1。将不同的物体堆叠在一起，测出其整体所受摩擦力，最终求出动摩擦系数μ。本实验主要对象为：740g铁板、320g砝码、320g纸张。

取重320g的砝码及铁板一块（740g），将砝码置于铁板上并固定住，铁板置于水平地面上，用弹簧测力计水平拉动铁板，测出摩擦力f，最后根据公式μ=f/N，求得动摩擦系数μ。

取重320g的纸张及铁板一块（740g），将纸张置于铁板上并固定住，铁板置于水平地面上，用弹簧测力计水平拉动铁板，测出摩擦力f，最后根据公式μ=f/N，求得动摩擦系数μ。

2 数据处理方法

每组变量实验均重复进行五次，以减小偶然误差，然后将数据记录到Excel表格中，分别求出5次重复实验的动摩擦因数μ，最后将5次重复实验的动摩擦因数绘制成散点图。

3 结果及讨论

3.1 温度对摩擦系数的影响

经过5次重复实验，得出铁板温度为-18℃时，平均动摩擦因数为0.223。

经过5次重复实验，得出铁板温度为15℃时，平均动摩擦因数为0.124。

经过5次重复实验，得出铁板温度约为300℃时，平均动摩擦因数为0.111。

通过对比3组不同温度实验结果，发现温度对动摩擦因素有明显的影响。即随着温度上升，动摩擦因素不断下降。实验结果与本文实验前设想的结果相反，本文设想温度越高，分子运动越活越，接触面分子接触碰撞次数增加，摩擦力应该增大。

3.2 材料对摩擦系数的影响

经过5次重复性实验，得出两块钢板之间平均动摩擦因数为0.124。

经过5次重复性实验，得出钢板与木板之间平均动摩擦因数为0.277。

两块钢板的动摩擦因数明显地比钢板与木板之间的动摩擦因数小，这与本文实验前的设想一致，从这两种材料外表可以明显的看出：两块钢板之间接触面与钢板与木板之间接触面相比较为光滑，动摩擦系数小。

3.3 体积对摩擦系数的影响

经过5次重复性实验，得出体积为V1时，物体的平均动摩擦因数为0.252。

经过5次重复性实验，得出体积为V2时，物体的平均动摩擦因数为0.250。

通过两组不同体积的实验结果，体积对动摩擦因数的影响很小，几乎没有影响。本文实验前设想体积变大，受到空气浮力也会变大，导致接触面之间的正压力减小，动摩擦因数会减小。因空气密度较小，体积变化也较小，物体所受浮力变化也非常小，正压力变化不明显，故动摩擦因数的变化为几乎不变。

4 结论

本文开展了三个不同因素对动摩擦因数影响的实验，并都经过5组重复性实验，最后得出的结论如下：

（1）温度对动摩擦因数有明显的影响，即随温度的上升而动摩擦因数下降;

（2）材料对动摩擦因数有明显的影响，即接触面粗糙程度不同而动摩擦因数不同。本实验的结果表现为，铁板与木板之间的动摩擦因数明显大于铁板与铁板间的动摩擦因数;

（3）体积对动摩擦因数几乎没有影响。

5 展望

根据本文开展的实验，初步得出了温度、体积和材料这三种变量对动摩擦因数的影响。未来，可以从两个方面进一步探究不同变量对动摩擦因素的影响，即：

（1）设置更多温度梯度、更多不同材料之间的实验，进一步探究这些变量对动摩擦因数的具体影响;

（2）探究更多变量（如湿度、振动和压强等）对动摩擦因数的具体影响。

参考文献

[1]方程.费恩曼物理学讲义[M].上海：上海科学技术出版社，2005.