摩擦力及其在生活中的应用

摩擦力的微观解释

关于摩擦力的解释，现在有很多种说法，比如物体微观凸凹表面产生相互机械啮合说、分子粘结现象说、相互作用形变说等，我们介绍一种目前大众比较能接受的其中一种分子相互作用理论。

首先我们需要知道世界所有的物质都是由微观分子或原子组成的，这些分子和原子之间、分子之间同时存在引力和斥力。如图2.3.1所示，引力和斥力随着分子间距离增大而同时增大，但是斥力增大或减小速度比引力更快。因此，当分子间作用距离等于r0时，分子引力等于斥力，叫做分子作用平衡位置；当分子间间距小于r0时，斥力增大量大于引力，对外表现为斥力；当分子间间距大于r0且小于10 r0时，引力大于斥力，对外表现为引力；当分子间间距大于10 r0时，分子作用力十分微弱。

图2.3.1　分子间作用力示意图

我们知道两个物体相互接触并挤压会有弹力存在。从微观上看，是分子与分子之间产生的径向的排斥力。当在切向上有一个外力去拉物体时，原子整体就会错位，原来只有径向的力就产生了拖拽，物体拖拽地面，地面也拖拽物体，表现出来的就是我拉你，你也拉我，即摩擦力。

图2.3.2　物体微观作用力示意图

所以可以说弹力是微观分子力之间径向作用的宏观表现，而摩擦力是分子间切向作用的宏观表现。

表2.3.1　分层学习要求

摩擦力在生活中无处不在，你能举出哪些例子来证明摩擦力存在吗？生活中有没有光滑的物体呢？

做一做

用手掌轻轻贴在桌面上往前推，你能感觉到什么？

用手掌重重贴在桌面上往前推，你又能感觉到了什么？

摩擦力

当一个物体在一个表面上相对滑动或有相对滑动趋势时，物体和表面之间就会产生摩擦力，摩擦力会阻碍它们之间的相对滑动或相对滑动趋势。摩擦力用f表示，其方向总是平行于接触表面。

相对运动：物体与物体之间发生相对位置的连续改变；

相对运动趋势：物体相对于物体想要发生相对位置的改变，但是还没有。

1.摩擦力产生的条件是什么？

●产生摩擦力的条件

根据定义我们可以知道摩擦力产生的三个条件：

1物体与物体之间有弹力：相互接触并挤压；

2接触面是粗糙的；

3两物体之间有相对运动或相对运动趋势。

例题：请判断图2.3.3中物体与接触面之间是否有摩擦力。

图2.3.3　判断摩擦力存在否

静摩擦力f 静

当一个物体在一个表面上有相对滑动趋势时，就会产生一个阻碍物体相对运动趋势的力，我们把物体和另一个物体表面之间就会产生的这种阻碍作用叫做静摩擦力。

实验探究

探究静摩擦力的大小与什么因素有关

用大小为F的力拉动水平桌面上的物块，没有拉动时，由平衡条件知：竖直方向上二力平衡：F支=G，在水平方向上二力仍平衡：静摩擦力大小f静等于拉力大小F。

2.静摩擦力的大小与什么因素有关？

图2.3.4　水平拉动木块

（2）将拉力F逐渐增大，木块仍然静止不动，在这一过程中，由二力平衡知：竖直方向上力始终不变，水平方向受力平衡，此时随着拉力的增大，桌面对箱子的静摩擦力f静也在不断变大。

（3）当水平拉力增大到F0时，木块恰好要开始要运动，此时可认为在即将要动的那一瞬间木块仍处于平衡态，此时木块与桌面间的静摩擦力就是最大静摩擦力fm，此时数值上fm=F0。

临界

临界是指由某一种状态（如静止）或物理量转变为另一种状态（如运动）或物理量的最低转化条件。常用“刚刚”“恰好”等词描述。

3.什么是临界状态？

（4）如果拉力继续增大，木块就会加速运动。此后木块和桌面之间的摩擦力将不再是静摩擦力，而是动摩擦力f滑。

生活中静摩擦力是很常见的，如图2.3.5所示，手握住水杯，使水杯在竖直方向上保持静止状态；我们走路时，鞋底对地面向后施力，地面给鞋子一个向前的摩擦，因此我们得以行走，如果改在冰面上步行时，则因摩擦力过小而难以行走。有许多机械的设计也都利用摩擦来传递动力，例如汽车内的飞轮是利用皮带和轮槽间的摩擦来传动，用于驱动风扇、发电机等；传送带将物体传送到指定位置，利用的是物体和传送带之间的摩擦力，为避免打滑，这些皮带的内面还铸成齿状，以增强摩擦。

图2.3.5　生活中的静摩擦力

4.生活中哪些地方应用到了静摩擦力？

想一想

为什么生活中我们在竖直方向上拿杯子时，总是想捏紧一点呢？

滑动摩擦力f滑

在前面图2.3.4所示的拉木块的实例中，当拉力增大到使木块与桌面之间产生相对运动，那么此时木块还受到桌面对它的摩擦力作用，这时摩擦力的效果是阻碍物体与物体之间的相对滑动，我们把这种摩擦力叫做滑动摩擦力。

5.滑动摩擦力和静摩擦力有什么区别？

想一想

如图2.3.6所示，根据生活经验，在地板上推动箱子比在土地上推动要容易些，推动小箱子，比推动大箱子要容易些，你能根据生活经验猜测滑动摩擦力与哪些因素有关吗？那么我们怎么才能探究出滑动摩擦力大小的影响因素呢？

图2.3.6　人推箱子

实验探究

我们无法直接测出滑动摩擦力的大小，只能通过转换法，利用二力平衡来测量。如图2.3.7所示，为保证f滑=F，弹簧测力计必须沿水平方向缓慢匀速沿直线拉着木块运动，这时，拉力F与滑动摩擦力f滑就是一对平衡力，通过弹簧测力计读出拉力F的大小，就知道了滑动摩擦力f滑的大小。

图2.3.7　测量滑动摩擦力实验

6.滑动摩擦力和哪些因素有关？

探究动摩擦力大小的影响因素

1.猜想与假设：

（1）可能与___________________________有关；

（2）可能与___________________________有关；

（3）可能与___________________________有关；

（4）可能与___________________________有关；

（5）___________________________________________________

2.实验器材：木板、木块、弹簧测力计、砝码、细线、棉木或毛巾。

3.实验方法：控制变量法。

4.测量原理：二力平衡；测量方法：转换法。

5.方案设计

实验一：探究滑动摩擦力和物体运动速度之间的关系

控制其他因素（压力、接触面的粗糙程度、受力面积）不变，用弹簧秤拉着木块在水平方向以不同的速度做匀速直线运动，如图2.3.7所示，测出摩擦力大小，记录在表格2.3.2中。

表2.3.2　探究f滑与v关系实验记录表格

实验表明，直线运动时物体速度对滑动摩擦力大小的影响_______（选填“显著”“不显著”）。

实验二：探究滑动摩擦力和受力面积大小之间的关系

控制其他因素（压力、接触面的粗糙程度）不变，如图2.3.8所示，用弹簧秤拉着木块在水平方向做匀速直线运动。第一次：把木块平放在长木板上，用弹簧测力计水平拉木块，使木块做匀速直线运动（如图甲所示），读出弹簧测力计的示数，并记录在表2.3.3中；第二次：把木块侧放在长木板上，用同样的方法拉木块（如图乙所示），记下相应的示数。

图2.3.8　探究动摩擦力大小的影响因素实验二

表2.3.3　探究f滑与受力面积大小关系实验记录表格

实验表明，滑动摩擦力大小与受力面积大小__________（选填“有关”“无关”）。

实验三：探究滑动摩擦力和接触面的粗糙程度之间的关系

控制其他因素（压力、受力面积）不变，把木块放在粗糙程度不同的接触面上进行实验，如图2.3.9甲、乙所示，用弹簧秤拉着木块在水平方向做匀速直线运动，测出不同粗糙程度接触面上木块受到的摩擦力大小，记录在表格2.3.4中。

图2.3.9　探究动摩擦力大小的影响因素实验3

表2.3.4　探究f滑与接触面粗糙程度关系实验记录表格

实验表明，滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关，接触面越粗糙，滑动摩擦力________。

实验四：探究动摩擦力和压力之间的关系

控制其他因素（接触面的粗糙程度、受力面积、物体运动速度）不变，用天平称出木块的质量并记录钩码的质量，用弹簧秤拉着木块做匀速直线运动，如图2.3.9乙、丙所示。利用二力平衡条件得到压力的大小和不同压力情况下的摩擦力的大小，将实验数据填入表格2.3.5中。

表2.3.5　探究f滑与F支关系实验记录表格

数据处理

我们以压力FN为横坐标，以滑动摩擦力f滑为纵坐标，利用函数图像处理数据。在图2.3.10中，将多组f滑、F支数据在坐标系中描点，f滑为纵轴，F支为横轴，作出摩擦力和压力的关系f滑-F支图线（画出最合适线，让尽量多的点在线上，不在线上的点均匀分布在线的两侧，离得太远的点舍弃不要）。观察图像特点，以正压力F支为自变量，写出滑动摩擦力f滑与压力F支的函数解析式。

图2.3.10　f滑-F支图线

图像法处理实验数据(www.xing528.com)

函数图像以坐标法为基础，借助数形结合，不仅可以定量分析和计算相关物理量之间的关系，还可以直观、形象表达各种现象的过程和规律。由于处理数据直观、误差小、易发现错误数据和求解某些物理量，因而函数图像法是实验数据处理的一个基本方法，是物理实验中广泛应用的处理实验数据_的方法。

分析与论证

实验表明：滑动摩擦力的大小与相互接触的两个物体之间的压力和接触面的粗糙程度有关，接触面越________，压力越_______，滑动摩擦力也就越大。当接触面粗糙程度一定的情况下，滑动摩擦力与压力成（选填“正比”、“反比”）。滑动摩擦力的大小与________________无关。

评估与交流

在以上实验的操作过程中，有哪些不方便之处呢？如何进行优化呢？

实验中有两个不足之处：一是控制木块做匀速运动比较困难；二是弹簧测力计在运动中进行读数，很难读准确。

我们可以从两个方面去完善此实验的不足，以求取得良好的实验效果。

优化方案

如图2.3.11，我们将原实验中的甲方案，换成乙方案进行实验，读出弹簧秤的示数即可得出木块与木板之间的摩擦力大小。

图2.3.11　探究动摩擦力大小的影响因素优化方案

7.哪些方法可以改进探究滑动摩擦力影响因素的实验？

想一想

利用乙方案完成实验，需要拉动木板匀速运动吗？方案乙比较方案甲的优点有哪些？

滚动摩擦

当一个物体在另一个物体上滚动时，物体所受到的摩擦叫做滚动摩擦（rolling friction）。在一般情况下，滚动摩擦比滑动摩擦小得多。所以，在搬动重物体时，在物体下垫上滚木，移动起来要省力得多，在机器转轴上常常以滚动轴承代替滑动轴承，从而减小摩擦。图2.3.12所示为古代搭建金字塔时人们使用圆木将巨石搬运到指定位置。

图2.3.12　搭建金字塔

8.滚动摩擦力的定义是什么？

根据以上实验，你能总结出水平面上静摩擦力和滑动摩擦力的影响因素吗？表2.3.6总结了影响摩擦力的部分因素，打“√”代表影响，打“×”代表不受该因素影响。

表2.3.6　影响摩擦力的因素

想一想

相对地面运动的物体是否一定受到摩擦力呢？如果受到摩擦力，一定是某一种摩擦力吗？

摩擦的利用与减小

如图2.3.13所示，汽车轮胎要粗糙才能更好地行驶；如图2.3.14所示，木匠在把木板磨光滑的工作中，是用砂纸在木板上靠砂纸和木板产生的摩擦力将木板打磨平滑的；传送带把货物往上运的过程中，如果没有摩擦，则货物要沿斜面下滑，所以物体有沿斜面下滑的趋势，所以传送带给了货物一个沿斜面向上的静摩擦力的作用，以阻碍货物向下滑的运动趋势；人们洗手时双手摩擦把手上的灰尘洗掉，洗衣机洗衣时转动使衣服和水产生摩擦，吃东西时牙齿和食物发生摩擦；如图2.3.15所示，用拖把擦地、用布擦桌子、用板擦擦黑板等都会产生摩擦力。这些摩擦对我们生产生活来说是有益的。

图2.3.13　汽车轮胎

图2.3.14　用砂纸打磨木头

图2.3.15　擦黑板

9.生活中哪些地方需要增大摩擦力呢？

通常我们可以通过增大压力和增大接触面的粗糙程度的方式来增大摩擦力。比如我们在踩刹车时，刹车片和轮胎之间的压力增大，使得摩擦力增大从而使轮胎滚动逐渐停下来；当我们拿一个用橡皮擦擦文字时，使劲擦会更容易擦干净；当汽车陷入泥坑中时，我们可以在轮胎周围撒上木屑或者碎石以增大轮胎周围接触面的粗糙程度；在我们书写的签字笔外包覆一层橡胶而不直接用塑料杆除了写字更舒适外，还可以增大笔和我们手之间的摩擦力。

在另外一些情况下，摩擦是有害的，需要减小。除了减小压力，打磨接触面更光滑减小摩擦外，用滚动代替滑动也能减小摩擦力，例如我们的行李箱、汽车轮胎等都是圆形轮胎，再例如图2.3.12中金字塔建设中滚动摩擦起到了功不可没的作用；此外还可使接触面分离来减小摩擦，如加润滑油可以在两摩擦面之间形成油膜，使接触面分离；在图2.3.16中，气垫船的船底与水面之间有一层空气，使船在航行中阻力减小；图2.3.17中磁力把磁悬浮列车从轨道上微微托起，使接触面分离，减小摩擦。

图2.3.16　气垫船

图2.3.17　磁悬浮列车

10.生活中哪些地方需要减小摩擦力呢？

想一想

生活中人们还采取了哪些方式增大有益摩擦，哪些方式减小有害摩擦呢？

如果世界没有了摩擦力会怎样呢？

自我评价

1．一本字典在下列情况下不会受到摩擦力的是（　）。

A．静止放在斜面上　B．在水平桌面上被推动

C．静止放在水平桌面上　D．静止被压在竖直墙壁上

2．关于摩擦力产生的条件，以下说法正确的是（　）。

A．相互压紧的粗糙物体间一定有摩擦力

B．相对运动的物体之间一定有摩擦力

C．只有相互压紧并有相对运动的物体间才有摩擦力的作用

D．只有相互压紧并有相对运动或有相对运动趋势的物体间才有摩擦力的作用

3．下列实例中，属于减小摩擦的是（　）。

A．在鞋底、轮胎上做上凸凹不平的花纹

B．移动很重的石块时，在石块下垫滚木

C．骑自行车的人刹车时用力捏闸

D．冬天，在结冰的马路上撒一些细沙以方便路人的行走

4．如图2.3.18所示，一长方体木块，置于同一粗糙水平面上，甲图木块竖放，乙图木块平放，丙图木块平放并在其上表面加一重物，在甲、乙、丙三种情况下，匀速拉动长方体所需的水平力分别为F甲，F乙，F丙。则下列关系正确的是（　）。

图2.3.18

A．F甲＜F丙＜F乙B．F甲＞F丙＞F乙

C．F甲＜F丙＜F乙D．F甲=F乙＜F丙

5．如图2.3.19所示，一位同学将水杯竖直握在手里，匀速走在校道上如果水杯离地的高度保持不变，则（　）。

图2.3.19

A．手握得更紧，可以增大摩擦力

B．如果同学静止，手对水杯的作用力变小

C．如果同学加速往前跑，手对水杯的作用力不变

D．无论同学的运动状态如何，手对水杯的摩擦力保持不变

6．如图2.3.20所示是“探究滑动摩擦力大小与什么因素有关”的实验。

图2.3.20

a.如图甲，将木块平放在长木板上，水平匀速拉动木块，记录弹簧测力计示数。

b.如图乙，将木块平放在长木板上，并在木块上放一砝码，水平匀速拉动木块，记录弹簧测力计示数。

c.如图丙，将木块平放在玻璃上，水平匀速拉动木块，记录弹簧测力计示数。

（1）由_______两图可知：当接触面粗糙程度一定时，压力越大，滑动摩擦力越大。

（2）实验后小丽用原器材重新设计了如图丁所示的实验装置，使用该装置测量木块与木板间摩擦滑动摩擦力时_______（选填“需要”或“不需要”）匀速拉动长木板。实验中小丽发现：当F为3 N时，木块相对于地面静止且长木板刚好做匀速直线运动，则长木板受到地面的摩擦力大小为______N。

（3）实验拓展：如图①所示，放在水平地面上的物体C受到方向不变的水平拉力F的作用，F-t和v-t图像分别如图②、图③所示。则物体C在第4秒时受到的摩擦力大小为_______N。

自行车上有益摩擦和有害摩擦的分析^[2]

自行车上的静摩擦都是有益的。如图2.3.21所示是自行车部分元件，各部件的固定和安装都要用到螺丝和螺帽，必须要把它们旋紧，主要目的就是增大部件之间的摩擦力。如前叉和龙头的固定连接、鞍座在车架上固定、鞍座倾角的固定、前后轮在车架上固定、脚蹬在曲柄链轮上固定等装置；曲柄链轮和中轴之间不是通过螺丝来固定的，而是通过插销来固定的，插销是用锤子猛力敲打才能使曲柄链轮固定在中轴上，使曲柄链轮和中轴连成整体，因此它和中轴之间的摩擦也是有益的；后轮胎和地面的摩擦也是静摩擦，因为它是驱使自行车前进的力，所以它也是有益的摩擦力；刹车时刹皮和车轮之间的摩擦能有效地控制车子的行进，所以它也是有益的。

图2.3.21　自行车部分元件

自行车上的动摩擦都是有害的。如中轴、前车轴、后车轴、前叉合件、脚踏轴等部件，同时包括刹车把手，它们在转动过程中极易使部件磨损，造成传动或转动障碍，所以它们之间的摩擦是有害的。

自行车上如何增大有益摩擦？

（1）增加接触面的粗糙程度来增大摩擦。

外胎上有凸凹不平的花纹是为了增加与地面的摩擦力。如图2.3.22所示，山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深是为了适应越野山地时能有足够的摩擦力而防止打滑或倾倒；而一般的公路赛车的外胎却很窄，是因为平坦的地面不需要防止侧滑，同时也是为了减小部分由于轮胎太宽而带来的较大的行进阻力。

图2.3.22　山地自行车与公路自行车

脚蹬也叫脚踏，可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，脚踏面要具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造，因为它们不仅不易变形，还可以在上面刻上凸凹不平的花纹，以增大脚与踏板之间的摩擦力，保证行车脚踏踏板时的安全。

车把（俗称龙头）通常要安装硬质的带有花纹的手柄或者包裹着软质粗糙的塑料带，不仅可以增加手抓龙头的舒适度，还可以增大手与龙头之间的摩擦力，使手在控制龙头时候不易脱落。

飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。链条和飞轮以及链轮之间的摩擦都是有益摩擦，为了防止链条在飞轮或链轮上打滑，通常要把链条的松紧度调节到一个合适的位置。

（2）增大压力的方法来增大有益摩擦。

自行车上用来固定零件的螺丝和螺帽必须要拧紧，以增大压力，从而达到增大最大静摩擦力，防止螺帽脱落；自行车的链条在传动时与前后齿轮之间都有摩擦，如果链条太松弛，会产生链条打滑的现象，所以适当调紧链条也是通过增大压力达到增大链条与齿轮之间的有益摩擦的目的。

（3）自行车上也有些地方采用第一种和第二种结合的方法来增大有益摩擦。

车闸上的刹皮通常采用耐磨的材料做成，并在其表面刻上凸凹不平的花纹，刹车的时候可以增大刹车时的有益摩擦；同时自行车在刹车过程中需要用力勒住刹车把，利用杠杆原理加大闸皮对轮圈的压力，目的是使刹车皮与轮圈紧贴，增大它们之间的摩擦，加强制动的效果；在两种方法的共同作用下，使自行车能尽快的停下来。还有的车辆为了进一步增强制动效果，还采用了碟刹的装置。

自行车上如何减小有害摩擦呢？

自行车应当骑起来越省力、越轻松、越灵活才越好，所以在自行车转动的地方摩擦力要越小越好，这些地方的摩擦要通过各种方法减小。通常减小摩擦的方法有三种：第一，减小压力；第二，以滚动摩擦代替滑动摩擦；第三，在接触面加润滑油。自行车上通常应用第二和第三种方法较多。

前轴、中轴、后轴、车把转动处、脚蹬转动处、飞轮以及前叉合件等地方都安有钢珠。转动地方安装钢珠是为了减小有害摩擦，保护零件，节省动力，因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多，用滚动来代替滑动可以大大减小有害摩擦；经常在滚动处加润滑油，让接触面彼此离开，使有害摩擦变得更小、更省力、零件的使用寿命就会更长。链条在行进过程中要经常加润滑油，目的是减小链条和飞轮以及链条与链条之间的有害摩擦。飞轮内部、链条和链条之间都要保持良好的润滑，通常要在其中滴入润滑油，以保证运转时有害摩擦能达到最小，减小行车时的阻力。

如果没有摩擦，自行车上会发生什么呢？