从“最快的冰”开始聊摩擦

2022-05-26南京市玄武高级中学张军

科学大众 2022年10期

关键词：木块冰面质子

□文/南京市玄武高级中学张军

北京冬奥会再次为世界呈现了一场精彩绝伦的盛会，与2002年盐湖城冬奥会并列成为史上诞生速度滑冰奥运会纪录最多的冬奥会。高科技的应用，让冰面与冰刀之间的摩擦达到完美境界，难怪运动员们把“冰丝带”称为“最快的冰”“最美的冰”（图1）。

图1

这一期，我们就来和大家聊一聊摩擦的话题。

摩擦的故事由来已久

风在不停地吹，原始森林的树枝间不停地发生摩擦，最终摩擦生热也会引发森林大火。这是非常恐怖的灾难，来不及逃生的动物都葬身火海。人类的祖先在火灾后的森林里觅食，惊喜地发现被烧熟的肉更容易被撕碎，也更香、更可口。于是他们意识到，火是个好东西，得保留住火种，而且要安排专门的人看管火种。

那么，有没有办法自己动手制造出火呢？多次的观察与实践之后，早期的人类终于掌握了钻木取火的技术。拥有了火，意味着拥有了温暖和光明，意味着多了防御与攻击的武器，意味着可以开疆辟土，意味着可以冶炼矿石——文明的多扇窗口都即将被打开。人类从此告别茹毛饮血的时代，和其他动物分开，走上了文明的创造与演进之路。

石头是人类早期最常使用的工具之一，可以投掷，可以堆砌，可以敲击，可以将兽皮划开，可以在地面、树木、岩壁上刻画记号。而且，将捡来的石头进行敲击、捶打之后，用起来更趁手。这样的生活持续了上百万年，人们尝试用各种方法让石头的凸起部更尖锐，让石片的边缘更锋利——磨制石器的时代到来了（图2）。

图2

有些石头在敲击、打磨时会产生火花，这让人类又多了一种生火的方法——火镰被发明出来了。火镰利用的也是摩擦生火的原理，火镰与火石反复猛烈擦刮，产生的火花点燃了干草，火就来了。很长时间内，火镰都是人们的随身携带品，甚至在新中国成立后，乡村中还有人在使用它（图3）。

图3

火柴和煤油打火机的引火，依然用到了摩擦手段（图4、图5）。

图4

图5

摩擦的对象、摩擦的手段不停进化，人类也慢慢地由爬行变为直立，从做手势发展到用语言交流，从操作有形的工具到掌握更现代的手段，把探索的目光投向更高、更远、更精微的地方。

摩擦几乎无处不在。划水时，水和肌肤表面间发生着摩擦；骑车时，空气与头盔表面发生着摩擦；夹菜时，手和筷子之间、菜肴与筷子之间都发生着摩擦；潮汐时，海水与海底以及海水之间都发生着摩擦。陨石穿过大气层，会因摩擦而温度升高，发出耀眼光芒（图6）。这时，我们会欢快地说：“瞧，流星！”

图6 供图/视觉中国

在木材加工车间，电锯锯木头时的摩擦会让木头的温度急剧升高，有时木头会燃烧起来。用电钻钻木头时，会明显地看到钻孔处的木头被烧焦。（图7）

图7

今天我们还会用石磨磨豆浆（图8），依然会本能地用搓手的方法给手取暖，用跺脚的方法给脚取暖。从科学原理上说，就是用做功的方法改变物体的内能，把机械能转化为内能。

图8

摩擦让我们周围遍布静电

物质由大量分子构成，分子由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子构成，质子和中子又由夸克构成。质子带正电，电子带负电，中子不带电。对于原子来说，原子核里的质子数量与核外的电子数量总是相等的，所以原子不显电性。组成我们人体的质子、中子、电子与组成石头、树木的质子、中子、电子并无不同。

原子核里的质子数量是很难改变的，核外的电子却可以摆脱原子核的束缚，在物体之间转移。事实上，任意两个物体在接触时，它们之间都会有电子在转移。得到电子的物体因为有了多余的负电荷而带上负电，失去电子的物体则因为负电荷少了而表现出正电。摩擦是一种剧烈的接触方式，当然会发生电子的转移，这就是摩擦起电现象。相互摩擦的两个物体总是带上等量的异种电荷。课本上常举玻璃棒和丝绸摩擦、橡胶棒和毛皮摩擦的例子，但是我们家里不常备这类材料。其实，用吸管、纸巾，或者气球、毛巾甚至头发就可以做摩擦起电的实验。

将一小截吸管竖直插入泡沫中，或者用塑料胶带固定于桌面，作为支架。拿一支长吸管，用牙签穿过其中部，然后将牙签插入作为支架的吸管中。另取一支吸管，用纸巾摩擦后靠近插入支架中的吸管。如果两支吸管带上了同种电荷，则会相互排斥。如果带上了异种电荷，或者一支带电、一支不带电，二者则会相会吸引（图9）。

图9

摩擦起电的现象在生活中极为普遍，梳头时梳子摩擦头发，吊扇旋转摩擦空气，包装盒外面的塑料薄膜摩擦纸盒，行走时鞋底摩擦地毯，都会起电。我们所穿的衣服，与干燥的空气摩擦会起电，与人体摩擦会起电，衣物与衣服之间摩擦也会起电。

在容易导电的物体上，比如金属、人体、酸碱盐溶液等，摩擦所起的电会被迅速传走；而在不容易导电的物体上，比如塑料、玻璃、化纤、毛纺织物等，电荷很容易聚集形成静电。当带静电的物体接触到与它有电位差的物体时，电子就会转移，发生中和或放电现象。电子在转移的过程中，会加热移动路线周围的空气，使得空气发光，还会发出声音。冬天在黑暗中脱衣服时，常会看到火花，并听到“噼噼啪啪”的声音，这就是摩擦带电的衣服放电时产生的。有时，我们用手触摸金属物体，比如门把手、公交车上的金属扶手，身上带的电会通过手传导到金属物体上，手上会有针刺般的痛感，如果是在黑暗中，还能看到小火花。人体的静电放电现象，在干燥的冬季更容易发生。闪电其实也是强烈的静电放电现象。

塑料袋很容易摩擦起电，与附近的物体相吸引。我们可以用塑料袋做一个好玩的实验。用剪刀将塑料袋剪下一个圆环，用毛皮摩擦。用同样的方法摩擦一根PVC管，然后将薄薄的塑料圆环抛向空中，用PVC管在下方指挥，可让塑料环悬浮在空中——PVC管与塑料环因带上同种电荷而相互排斥（图10）。但是，你很难一次就做成功，因为带上电的塑料圆环会死皮赖脸地吸在你的衣服上、手腕上，甩也甩不开。取一小截捆扎用的塑料绳，撕成一条条的细丝，也可以在PVC管的“指挥”下悬浮在空中。

图10

用静摩擦力施“魔法”

手拿着一个木块，抬到一定高度，此时如果放手，木块会沿竖直方向掉落，因为它受到的重力方向是竖直向下的。如果手从下方托着木块，木块则不会掉落，因为手施加了向上的支持力，可以与重力平衡。如果两只手从两侧夹着木块，木块也不会掉落，但是手夹木块的力是沿水平方向的啊，究竟是什么力平衡了重力呢？

木块相对于手掌面，有下落的趋势；手掌面阻碍了木块下落的趋势，对木块有一个竖直向上的静摩擦力。如果适当减少两手对木块的压力，木块可以在两手掌间下滑，这时静摩擦力就变成了滑动摩擦力。由于静摩擦力的存在，我们能将多个木块夹起来（图11）。

图11

利用静摩擦力还可以做很多好玩的实验，下面给大家介绍两个。

实验一：拉不开的书。找两本等厚的书，书页逐页交替对插，对插完毕后，将书拍紧，不要让书页间留出大的空隙。这时，你再试图将两本书拉开，就困难了（图12）。有人曾做过实验，将两本《南京大黄页》对插起来，用两辆SUV车都拉不开！

图12

实验二：筷子提米。有这样一个魔术节目，魔术师将一根筷子插到茶杯里，然后在筷子周围空隙处撒上米，并压实。米装满后，魔术师把筷子往上一提，米和杯子居然被一起提了起来！在家里，我们可以自己动作做一做、试一试。做这个实验的诀窍是每加一层米，都要在米上撒些水。一方面，米粒会通过水吸附到一起；另一方面，米粒吸水后膨胀，相互之间挤压得更厉害，可以增大静摩擦力（图13）。

图13

说不尽的摩擦

生活中，摩擦无处不在。

清晨睁开眼，你的眼皮与眼球在不知不觉中完成了摩擦。从床上坐起来，如果没有摩擦，你可能就直接从床上滑到地上了，在地面上还会继续滑动。不、不，没有摩擦，你在床上根本坐不起来。没有摩擦，你几乎不可能抓起衣服，抓住了也会轻易脱手，穿到身上也很容易滑下。

在你刷牙时，摩擦再次重复发生。牙膏一方面帮助清洁口腔，另一方面提供润滑，让牙齿表面不至于过早发生磨损。洗脸时，摩擦在；走路时，摩擦在；吃饭时，摩擦也在。

没有了摩擦，我们的生活将难以想象。但是，摩擦大了也不行。摩擦会把车轮上的花纹磨平，会让马路开裂，会让桌腿磨损。摩擦会消耗机械能，降低机器的工作效率。

2006年的调查认为，全国8个工业部门（冶金、能源化工、铁道机车、航空航天、汽车、船舶、军事装备、农业装备）消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金约为9 500亿元；如果正确运用摩擦学知识，节省的人民币估计可达3 270亿元。

初中物理课本对滑动摩擦、滚动摩擦、静摩擦进行了基本的介绍，高中物理课上会有关于摩擦力的分析与计算等。但是，究竟什么是摩擦呢？人类至今也没有完全研究透。摩擦学已经成为一门专门的学问，与材料、地质、生态等多个学科领域相互交叉。

不同的冰上运动对冰的要求也不同，比如冰壶运动要求冰面不能太光滑平整，而高速滑冰则要求冰面光滑平整，并且对冰面稳定性有严格要求，冰面软了会减缓滑速，冰面硬了则容易打滑、摔倒。“冰丝带”制作出“最快的冰”，是制冰方法、温度感知、冰面温度控制、大数据分析、物联网等多个领域的高科技综合运用的结果（图14）。