关于摩擦力的例题（摩擦力的分析）

摩擦力是一个让人又爱又恨的东西，有些时候我们需要摩擦摩擦，更多的时候我们又希望摩擦力小些再小些，最好等于零。但你很难想象一个没有摩擦力的世界，那里除了稀薄的气体之外什么都不会有。

摩擦的本质是物体接触面之间的咬合和原子的碰撞，摩擦力就是因摩擦而阻碍物体相互以切线方向运动的力。

摩擦力分为滑动摩擦力和静摩擦力，动摩擦力指的是两个相互运动物体之间的摩擦阻力，静摩擦力指的是两个有相互运动趋势物体之间的咬合力。物理课本里说滚动摩擦力实质上是静摩擦力，但我们应该将其与滚动阻力区分开来（这一点我们将在以后的文章里专门谈）。

摩擦无处不在

两个物体相互接触并且有相互施压的力，当这两个物体有沿着接触面切线方向相对运动、或者有相对运动的趋势时，我们称这两个物体有摩擦。阻碍它们相对运动的力就是摩擦力。

如果物体已经在接触面切线方向发生相对位移，这就是滑动摩擦；如果二者之间处于将动未动的状态，我们称之为静摩擦。

推箱子时，我们的脚与地面之间、箱子与地面之间都有摩擦

当我们在桌面移动鼠标、推动地板上的纸箱、冬天参加滑雪或滑冰、早晨刷牙洗脸、甚至搓手挠痒等等，这些都属于滑动摩擦。

而当我们走路、登上靠墙的梯子、在斜坡拉上汽车手刹、或者用尽吃奶的力气也推不动一个大箱子的时候，静摩擦在其中就起了关键作用。

为什么会有摩擦？

因为接触面不平。

物体的表面都是不平的，古埃及的工匠们努力将堆砌金字塔的巨大石块打磨得极其平整，据说石块间严丝合缝到连一枚刀片都插不进去，但这些巨大的石头依然不是那么光滑，它的表面有许许多多的凸起和凹坑。要想将这些重达2.5吨甚至160多吨的巨石从采石场运送到建造金字塔的工地并堆砌起来，这无疑是项艰巨的工作。

古埃及建造金字塔想象图

从上面这张图中我们可以看出，埃及人用圆木充当滚轴，以滚动摩擦来取代滑动摩擦。即便如此，依然需要大量的人力才能拖动石块。

如果我们将物体的接触面放大，就能发现原来我们以为平整的表面实际上是坑洼不平的，当两个不平整的物体相互紧贴，这些凹凸的表面会相互咬合，从而为滑动增加阻力。

不光滑的接触面产生摩擦

你可能会说，如果我们将两个接触面打磨得像镜子那样光滑，是不是就没有摩擦了呢？

事实上，这世界并不存在“绝对光滑”的表面，你以为玻璃很平，但当你将两片玻璃贴合在一起推动它们的时候，就会发现阻力很大。这一方面是因为两片玻璃之间空气被排除，外部大气压力作用使两片玻璃的压力更大，同时也证明了玻璃其实并不平。

玻璃并不平

我们都知道物质由原子组成，原子是一个由电子包裹着的球状体，因此我们看起来再平整的表面，它都是由不平整的球面排列而成，从微观角度看这些表面都是有高低起伏的。

当两个看似极光滑的表面相互接触时，由于原子“外壳”的起伏，物体的接触面自然存在相互咬合的现象。

相个看似极光滑的物体，从微观角度依然是不平整的

摩擦的本质

摩擦就是接触面的咬合和原子的碰撞。

下图：当两个物体的表面相互贴合并且施以压力N时，它们凹凸的表面会相互咬在一起，要想使其相互运动，就需要使咬合脱离。此时施加的力F一方面需要使滑块向前运动，同时还要让其克服压力N以脱离咬合，由此需要克服的阻力f就是摩擦力。

咬合面滑动摩擦力的分解

从微观角度看，当两个物体相互滑动时，它们实际上是在不停地“跳动”，接触面的原子在跳动的过程中不停地碰撞，碰撞的能量使原子振动频率加快，从而产生热能。接触面原子间撞击的动能会向内传导，导致更深层的原子也会产生振动。互相摩擦的物体表面咬合力越大、咬合的面积越大、相互间运动速度越快，受到振动的原子数量就越多、振动频率就越高，物体就越热。

如何克服摩擦？

对于有害的摩擦，我们需要去克服它。

克服摩擦力的方法有很多：采用更低摩擦系数的物体来做接触面、使接触面更光滑、使用润滑剂将接触面隔离开来、将滑动摩擦变为滚动摩擦等等。

古埃及人通过在石头下面垫圆木来将滑动摩擦转为滚动摩擦，这样可以节省许多人力。有资料表明他们还将巨石放在坚固的滑板上，然后通过往路上撒沙子来减低滑板与路面之间的摩擦系数。

复原的埃及壁画揭示了古埃及人如何拖运雕像

数百年前，在建造故宫的过程中，工匠们利用在路面泼水造冰来减少摩擦力，这使他们可以比较容易地将上百吨重的巨石拖到70公里之外。相对于其它的路面，冰可以提供更小的摩擦系数。对于这一点，速度滑冰的运动员深有体会。

钢与冰的摩擦系数仅为0.027~0.014，为了进一步减少前向的摩擦力，滑冰运动员使用锋利的冰刀，极小的接触面使冰刀与冰面之间产生相当于几百个大气压的压强，巨大的压强加上快速的摩擦使得冰刀与冰的接触面温度上升，进而使接触面产生水膜，它像润滑油一样使运动员获得更快的滑行速度。

速滑运动员在快速蹬冰

将冰面摩擦技术运用到极致的还有冰壶运动员。在冰壶比赛中，我们经常可以听到掷壶手向队友大声喊叫“擦一擦呀！~~”，他的队友们拿着海绵擦子十分卖力地擦冰。这是因为冰壶比赛十分讲究冰壶运动的线路、落点和力量，而在它的滑行路线上，空气中的水气会在冰面结上一层霜，霜粒会增加冰壶滑动的阻力。运动员大力地擦冰，一方面可以清除掉冰面的霜粒，同时强大摩擦力所产生的热能会使冰的表面分子融化，薄薄的水膜像是润滑油一样，使冰壶获得更快的速度和更精准的角度。

冰壶运动员卖力擦冰以减少摩擦力

怎样增加摩擦？

北方的朋友们大多有在冰面摔跤的经历，冰面很滑，它有很低的滑动摩擦系数。当我们开车遇到泥泞的冰雪路面时，常常因为轮胎的抓地力不够而容易造成交通事故。这时候我们需要更换雪地轮胎，甚至装上防滑链来增加摩擦力。

工人为巨大的工程车安装防滑链

但是赛车手们恰恰相反，他们更依靠光面胎来加大赛车的抓地力。这是因为光面胎没有纹路，它可以最大限度地增加轮胎与专业赛道的接触面积，从而获得最大的摩擦力，它可以更快地加速，并且不容易侧滑。

赛车轮胎在地面的擦痕，看的出来这是雨胎

好车费油。与如何加装防滑链、如何在速度与抓地力之间求得平衡、刹车性能与防抱死的完美结合相比，老司机们常常追求的是另一种摩擦的完美感受，这与开车有关，又似乎没什么关系。但肯定与摩擦力有关系。

摩擦力太大，家俱会坏掉的

总结

说了这么多的摩擦力，我们最后做一个简单总结：

一、摩擦是宇宙中广泛存在的现象；

二、只要两个物体相互接触、有相互挤压的力、存在相互运动或有运动的趋势，就有摩擦力；

三、没有绝对平整的表面，摩擦力是由物体间接触面的咬合以及原子的碰撞造成的。摩擦力是物体表面咬合力的体现，物体越坚硬、咬合面越多、压力越大，摩擦力就越大；

四、根据工作和生活的需要，我们有时候需要减少摩擦力，有时候也需要想办法增加摩擦；

五、关于滚动摩擦以及常见的误区，我将在后续的文章为你分析。

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