磨擦力
兩個互相接觸的物體,當它們對運動或具有相對運動的趨勢時,都會在接觸面上形成制約相對運動或相對運動趨勢的力。
形成的條件
①接觸面粗糙
②接觸且擠壓
③接觸面間有相對運動(或相對運動趨勢)
方向
①靜磨擦力的方向總跟接觸面相切,并與相對運動趨勢方向相反。
②滑動磨擦力的方向總跟接觸面相切摩擦力做功的公式,并與相對運動方向相反。
注意
(1)“與相對運動方向相反”不能等同于“與運動方向相反”。
滑動磨擦力方向可能與運動方向相同,可能與運動方向相反,可能與運動方向成一傾角。
(2)滑動磨擦力可能起動力作用,也可能起阻力作用。
磨擦力的大小
①靜磨擦力
靜磨擦力隨拉力的變化而變化,但是F靜=F。當拉力減小到某一值時侯,物體就要滑動,此時靜磨擦力達到最大值,我們把Fmax稱為最大靜磨擦力。
最大靜磨擦力略小于滑動磨擦力。
靜磨擦力的取值范圍:0<f≤Fmax
②滑動磨擦力
當一個物體在另一個物體表面滑動時,會遭到另一個物體制約它滑動的力,這些力稱作滑動磨擦力
方向:順著接觸面,而且跟物體的相對運動的方向相反。
大小:滑動磨擦力跟壓力成反比,也就是兩個物體表面間的垂直斥力成反比。
公式:F=μFN
μ叫動磨擦質(zhì)數(shù),它與互相接觸的兩個物體的材料有關(guān),還與接觸面的情況(粗糙程度等)有關(guān)。
注意
①FN表示兩物體表面間的壓力,性質(zhì)上屬于彈力,不是重力,更多的情況需結(jié)合運動情況與平衡條件加以確定。
②μ與接觸面的材料、接觸面的情況有關(guān)。
③滑動磨擦力大小,與相對運動的速率大小無關(guān)。
③滾動磨擦
一個物體在另一個物體表面上滾動時形成的磨擦。當壓力相同時,滾動磨擦比滑動磨擦小好多。
磨擦力的療效
總是制約物體間的相對運動(或相對運動趨勢),但并不總是制約物體的運動,可能是動力,也可能是阻力。
說明:滑動磨擦力的大小與接觸面的大小、物體運動的速率和加速度無關(guān),只由動磨擦質(zhì)數(shù)和正壓力兩個誘因決定,而動磨擦質(zhì)數(shù)由兩接觸面材料的性質(zhì)和粗糙程度有關(guān)。
靜磨擦力做功的特征
1、靜磨擦力可以做正功,也可以做負功,還可以不做功。
2、在靜磨擦力做功的過程中,只有機械能的互相轉(zhuǎn)移(靜磨擦力起著傳遞機械能的作用),而沒有機械能轉(zhuǎn)化為其他方式的能。
3、相互作用的系統(tǒng)內(nèi),一對靜磨擦力所做功的代數(shù)和總為零。
滑動磨擦力做功的特征
1、滑動磨擦力可以不做功
若相對運動的兩物體之一對地面靜止,則滑動磨擦力對該物體不做功。
2、滑動磨擦力可以做正功
如:客車車箱內(nèi)放一木架,客車忽然加速,木架相對卡車向后滑動,但相對地面向前運動,則客車對木架的滑動磨擦力做正功。
3、滑動磨擦力可以做負功
如:客車車箱內(nèi)放一木架,客車忽然加速,木架相對卡車向后滑動,但相對地面向前運動,則木架對客車的滑動磨擦力對客車做負功。
4、相互作用的系統(tǒng)內(nèi),一對滑動磨擦力所做的功總不為零,其絕對值恰等于滑動磨擦力與相對位移的乘積,即等于系統(tǒng)損失的機械能。
5、一對滑動磨擦力做功的過程中,能量的轉(zhuǎn)化有兩種情況:一是互相磨擦的物體之間機械能的轉(zhuǎn)移;二是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于滑動磨擦力與相對位移的乘積。
斜面上磨擦力做功的特征
模型:單個物體在斜面上滑動,不受其它外力作用時,滑動磨擦力做功Wf=-μGx(x為物體運動的水平位移)。
特征:
①一個物體在斜面上滑動;
②FN=mgcosα;
③摩擦力為阻力;
④摩擦阻力做功為Wf=-μGx(x為物體運動的水平位移);
⑤μ=h/X
習題練習
例1、如圖1所示,鐵塊A置于木板B上表面下端,現(xiàn)用水平恒力F將A拉至B的右端,已知A、B間的磨擦力大小為f。第一次將木板固定在地面上,f對A做功數(shù)值為W1,這次過程中形成熱量為Q1;第二次木板B可以在光滑水平地面上自由滑動,這一次f對A做功數(shù)值為W2,此過程中形成熱量為Q2,則()
A、W1
B、W1≠W2,Q1=Q2
C、W1
D、Wl=W2,Q1
解析:
設(shè)木板長為L,鐵塊周長為a,當木板固定時,磨擦力f對A做負功,大小為W1=f(L-a)
該過程形成的熱量Q1=W1=f(L-a)
當木板B可以在光滑水平面上運動時,在A被拉至木板右端的過程中,木板將往右聯(lián)通,設(shè)聯(lián)通距離為l,此過程中A相對于B的位移仍為(L-a)摩擦力做功的公式,
如圖1所示
磨擦力f對A做負功,大小為W2=f(L+l-a)
木板遭到的磨擦力f對木板做正功WB,WB=fl使木板的動能減小。
A、B組成的系統(tǒng),磨擦力做功的代數(shù)和為負值,大小為Wf=f(L-a),此過程中形成的熱量Q2=f(L-a)。
所以W1。
2.如圖3所示,質(zhì)量為m的木板(足夠長)以速率v在光滑水平面上向左運動,一質(zhì)量也為m的小鐵塊以同樣大小的速率從木板上端往右運動,若它們之間的動磨擦質(zhì)數(shù)為
,求小鐵塊能在長木板上滑行多遠?
剖析:將木板與鐵塊視為系統(tǒng),此系統(tǒng)動量為零,由動量守恒定理可知,當小鐵塊相對于木板靜止時,小鐵塊和木板也相對地面靜止。按照滑動磨擦力做功的特征得
此即小鐵塊在長木板上滑行的距離。
3.如圖所示,B物體在拉力F的作用下向左運動,在運動的過程中,A、B間有互相作用的磨擦力,則磨擦力做功的情況是:
A.A、B都克服磨擦力做功
B.磨擦力對A不做功,B克服磨擦力做功
C.磨擦力對A做功,B克服磨擦力做功
D.磨擦力對A、B都不做功
解析
做功的兩個必要誘因是力和在力的方向上通過一段位移,當B向左聯(lián)通時,A沒有動,故AB之間的磨擦力對A沒有做功;
B物體遭到的磨擦力方向與運動方向相反,故磨擦力對B做負功,即B克服磨擦力做功;