摩擦力疑惑问题探析

左贝林

摩擦力是高中物理的重点和难点，其形成机理从微观来看是很复杂的，但是高中阶段有关摩擦力知识和规律是基于经验和实验得出的，只是引入概念，方便学生理解、计算，可能有一定的局限性。笔者在学习中就遇到一些困惑，本文拟就两个疑惑问题进行探析，旨在引发摩擦力本质问题多方的讨论。

问题一：一道竞赛题引发的思考，静摩擦力的方向一定与相对运动趋势的方向相反吗？

该竞赛题在众多物理奥赛指导丛书上均有引用并附详解，笔者对此题两种解法感到费解，经过分析，发现两解法出现分歧与摩擦力本质问题有关。

（一）题目及解法

质量为m、长为l的匀质细棒AB一端A通过可以在任意方向自由转动的铰链固定于水平地面（xOy平面）上，另一端B靠在竖直墙面（yOz平面）上，如图所示。自A至墙引垂线AO′，已知∠O′AB=α，棒与墙间的摩擦因数为μ。求棒不至滑下时AO’B所在平面与铅垂面的最大倾角θ及此时墙对棒的支持力N。

原解：若B端能够沿着墙滑动，其轨迹必然在以O’为圆心，以O’B长为半径的圆周上，所以摩擦力f的方向必然沿着圆弧的切线方向。

对于解一与解二的矛盾根源，笔者的拙见是：在于摩擦力方向“相对运动趋势方向相反”是否妥当。第一，因为当接触的运动是一维的时候，其运动方向与相对运动趋势方向只有两种，方向是很好确定的。而当接触点的运动是二维的时候（如上题），问题就麻烦了，因为运动趋势方向是否与摩擦力方向相反，或运动趋势方向是向哪里并不是那么好确定的，如上题，解一与解二便是在这一点上出现分歧。第二，因为摩擦力的产生机理从微观上分析是为了阻碍接触面分子层的相对运动而由变化的分子斥力和引力产生。事实上，弹性形变和宏观上接触物体间相对运动都可以引起微观上接触面分子层的相对运动，而由弹性形变产生的力被人们定义为弹力，宏观上接触物体间相对运动产生的力被人们定义为摩擦力。对于滑动摩擦，弹性形变产生的微观上分子层的相对运动相对于宏观位移产生的微观分子层的相对运动是可以区分开的，所以摩擦力的方向被认为与宏观相对运动方向相反是毋庸置疑的。但是对于静摩擦力而言，宏观上两物体间只有相对运动趋势，并没有发生位移，那么弹性形变产生的微观分子层的相对运动与相对运动趋势产生的微观分子层的相对运动是无法区分的，从宏观上看它们都是受到力的挤压。所以笔者认为，对于静摩擦力的情况，静摩擦力和弹力从微观本质上讲是一致的，这时将它们完全区分是有可能出现问题的，所以应将它们当做一个力处理为妥。既然它们无法很好地区分而是一个力，那么这句话便不能随处适用了。于是解一与解二的矛盾就是在于是否运用了“静摩擦力的方向与相对运动趋势相反”这个结论。

问题二：接触面越光滑，滑动摩擦力越小吗？

当一个物体在另一物体表面上滑动时，其接触面越光滑，滑动摩擦力越小，但是事实上接触面光洁程度很高时，却呈现出很大的摩擦力。

两个宏观物体的表面贴在一起看起来是完全贴合，但是实际上2个表面都是是凹凸不平的（表面粗糙度就是根据这个来的），只有极少部分贴合。同时，由于不存在绝对不变形的刚体，正压力越大，表面的突出部分被压平或者被压入另外表面的凹陷部位越多，因此，正压力越大，实际贴合面积越大，产生范德华力的分子越多，导致总的分子间作用力越大，表现为摩擦力增大。因此摩擦力实际上是由实际贴合面积决定的。高中物理所说接触面粗糙和光滑是相对而言的，在宏观层面绝对光滑的接触面不是存在的，而且动摩擦因数也是通过实验测得，依靠理论推算还有很多问题有待解决。