“摩擦生熱”是一句常常被說起但又不嚴謹的話,磨擦生熱說的是“摩擦力做負功耗散機械能,機械能轉化為內能,物體吸收熱量體溫下降。”那么,滑動磨擦力永遠做負功嗎?俺們進行一次思想實驗。
構想有一個滑塊以速率υ沿水平地面向右運動,滑塊遭到地面施與的滑動磨擦力Ff向左,如圖3.27所示,滑動磨擦力Ff做負功,使機械能轉化為內能,因“摩擦生熱”使滑塊的氣溫下降,所以滑塊上的濕度計的液柱下降。
再構想有一輛貨車沿地面向右以速率2υ勻速運動,如圖3.28所示。地面是慣性系,相對地面做勻速直線運動的貨車也是慣性系。對于所有慣性系,數學規律都是相同的。我們在貨車慣性系里觀察滑塊的運動,發覺滑塊將向左以速率υ沿水平地面運動,這樣向左的滑動
磨擦力Ff做正功。從常識可知,機械能轉化為內能這件事在兩個慣性系里就會發生,在貨車慣性系里觀察滑塊上的濕度計的液柱也一樣會上升。并且,這不就和滑動磨擦力Ff做正功發生矛盾了嗎?
問題出在我們忽略了滑動磨擦力Ff的反斥力Ff?,Ff?是地面遭到的由滑塊施與的滑動磨擦力,在地面慣性系里Ff?不做功,圖3.27中根本就沒畫它。并且在貨車慣性系里,Ff?的受力質點向左以速率2υ運動,往右的滑動磨擦力Ff?做負功!
再估算一下滑動磨擦力做功的數目,在地面慣性系里,Ff做負功,功率為υFf,Ff?不做功,一對斥力和反斥力Ff和Ff?做功之和為負功,功率為υFf。在貨車慣性系里,Ff做正功,功率為υFf;Ff?做負功,功率為2υFf?;因為Ff=Ff?,所以,一對斥力和反斥力Ff和Ff?做功之和仍然為負功,功率為υFf。哈哈!沒有問題。
這個思想實驗告訴我們三個重要的事實。
1.力做功和參考系有關,在不同的參考系里力做功的多少、正負都可能不同。
2.一對斥力和反斥力做功之和與參考系的選定無關,做功的多少、正負相同。
3.涉及不同方式的能量轉化的問題時,因為能量轉化的問題與參考系無關,所以機械功應當用一對斥力和反斥力做功之和來測度。
下邊瞧瞧怎么估算一對斥力和反斥力做功之和。設有兩個質點m和m?沿Ox運動滑動摩擦力一定做負功嗎,位置為x和x?,它們之間有互相斥力F和F?,如圖3.29所示。
因力F?的指向為Ox軸的反方向,位移Δx?以x降低的方向(即Ox軸方向)為正方向,所以力F?做功W?=-F?Δx?。力F做功為W=FΔx。考慮到F=F?,互相斥力F和F?做功之和為WZ=FΔx-F?Δx?=F(Δx-Δx?)=FΔ(x-x?)
式中x-x?反映了兩個質點的距離,Δ(x-x?)反映了兩個質點寬度離的改變。由上式可以總結出以下推論。
1.當兩個受力質點遭到的互相斥力為作用力時,假如兩個質點間的距離減小滑動摩擦力一定做負功嗎,則一對互相斥力做正功;若兩個質點的距離增大,則一對互相斥力做負功;做功的數值為力與距離改變量的乘積。
2.當兩個受力質點遭到的互相斥力為引力時,假如兩個質點距離減小,則一對互相斥力做負功;若兩個質點的距離增大,則一對互相斥力做正功;做功的數值為力與距離改變量的乘積。
3.因為一對滑動磨擦力Ff和Ff?總是制約受力質點的相對滑動,所以一對滑動磨擦力Ff和Ff?做功之和永遠為負功,一定會造成機械能的耗散。
下邊看一個反例。使勁把一塊橡皮泥壓扁,橡皮泥原先的長度為d,如圖3.30所示。橡皮泥兩邊受力F和F?,何必計較橡皮泥的哪一邊靜止和哪一邊運動,或橡皮泥的兩側都在運動,只要曉得橡皮泥被壓薄了a(長度由d變為d-a),就可以曉得這一對力F和F?做功之和為正功,做功的數目為Fa。
在橡皮泥被壓扁的過程中,外力F和F?做正功,這部份機械能去哪了?這很簡單,F和F?做正功使橡皮泥形變,在橡皮泥形變過程中機械能被耗散。不只是橡皮泥,其他介質在形變的過程中也會使機械煤耗散,這個推論將應用于下一篇討論“滾動磨擦”之中。
再看另一個反例。有這樣一道試題:蹲著的人站了上去,重心下降,重力勢能降低,這一部份機械能從何而至?
蹲著的人在站上去的過程中,人所受的外力只有重力和地面支持力。估算了重力勢能的變化,就不用再估算重力的功。地面支持力的受力質點在人的腳上,腳上的受力質點在人站上去的過程中始終保持不動,所以地面支持力不做功。重力勢能降低的這部份機械能來始于人體內部胸肌收縮做的功。
下邊用圖3.31來說明胸肌收縮怎么做功,圖中右側的黑點代表胸肌在骨骼上的附著點,附著點也就是胸肌施力于骨骼的受力質點。設F和F?為胸肌作用于骨骼的一對力,受力質點間的距離為l,我們何必顧及胸肌兩端受力質點是否都在運動之中,只要胸肌收縮使受力質點間的距離減短為l-a,則可知一對胸肌拉力F和F?做功之和為正功,做功的數目為Fa。