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第8章 摩擦定律、滚动和滑动定律

在我们的周围,有各种各样的摩擦现象。人走路、坐定和工作,得依靠摩擦;各种车辆行驶,要依靠摩擦;任何房屋建造,离不开摩擦;就是耸入云霄的高山,也要依靠岩石、砂和土之间的摩擦……假如摩擦在世界上突然消失了的话,人无法走路,手无法拿东西,桌椅、板凳就要散架,汽车、自行车装配不起来,任何建筑物也不可能建造起来,一切物体都要向低处滑溜……应用和研究摩擦也就成为力学中的最重要课题之一。

法国著名科幻小说家儒勒·凡尔纳曾在他的《马蒂斯·桑多尔夫》中,描写了一个名叫马蒂夫的大力士,他力大如牛。作者在书中写了这样一件事:“特拉波科罗”号这艘50吨重的新船停在船坞里,正准备下水,人们只要把绳索砍断,船就会很快滑下去。

“呼”的一声,香槟酒瓶撞在船头上,酒沫飞溅,船工们砍断缆索,新船“特拉波科罗”号立即沿滑架向水中滑去。

突然,有一只快艇驶来,眨眼工夫,快艇已驶到船坞正前方。这时,眼见滑下水的新船“特拉波科罗”号将和这艘快艇相撞,岸上的人都惊恐万状,束手无策。

就在此时,只见马蒂夫一个箭步跨到船跟前,抓住拴在船头的缆索,在埋入地面的铁桩上绕了几圈。他冒着被甩死的危险,用手拉住缆索僵持了大约10秒钟。最后绳索断了。

可是这10秒钟时间已经够了!“特拉波科罗”号进水以后,只轻微地掠了一下快艇,就向前驶去了。快艇脱了险,马蒂夫也安然无恙。

马蒂夫的勇敢行动确实令人敬佩。可是,从力学角度看,任何一个能使出10千克力的人,即使是个孩子,也能创造这一奇迹的。这是因为摩擦力帮了他的忙。下面不妨请你算一算。

原来,绕在铁桩上的绳索在滑动的时候,摩擦力可以达到极大的限度。绳索绕的圈数越多,摩擦力也就越大。摩擦力增长的规律是:如果圈数按照算术级数加多,摩擦力就按几何级数增长。

18世纪数学家、力学家欧拉,曾经确定过摩擦力跟绳索绕在桩子上的圈数有下列关系:F=feka式中f表示我们所用的力,F代表我们所要对抗的力(也就是希望绳索产生的摩擦力)。e表示数2.71828……(自然对数的底),k表示绳和桩子之间的摩擦系数。a表示绕转角,也就是绳索绕成的弧的长度跟弧的半径之比。

把这个公式应用到儒勒·凡尔纳的故事里,所得到的结果非常令人吃惊。由于新船“特拉波科罗”号的重量是50吨,假定船坞的坡度是1/10,那么作用在缆索上的力只有船重的1/10,也就是5吨。

现设k,即缆索和桩子之间的摩擦系数的数值为1/3。并假定马蒂夫曾经把缆索绕桩3圈,那么a=3×2πγγ=6π把这些数值代入欧拉的公式,可得5000=f×2.726π×13,lg5000=lgf+2πlg2.27,f=9.3千克,所以,尽管马蒂夫是大力士,但他只用10千克的力,就可以把缆索拉住。

1781年,炮声隆隆,英法两国正为争夺殖民地而交战。法国政府看到自己的海军力量不如英国,就决心在改进海军设施的设计上下功夫。

于是,该年法国科学院进行悬赏征文,其中有一个题目是“关于摩擦定律和绳索的牢固性问题”。要求是“做新实验,结果应有大规模应用的价值,并能运用到对海军有价值的机器,例如:滑轮、绞盘和斜面上去。”

没过几个月,一辆马车驶近的响声,在科学院的大门前停止了。原先坐在院秘书处的那个男人,仔细听了一下从门口传来的声音,便站起身来,信步走到窗前,一眼就看出,是皇家工程部的高级军官库仑,从马车里走了下来。

原来是库仑亲自前来送交应征论文。他的这篇题为《简单机械的理论》的论文,紧紧围绕与滑轮、绞盘和斜面密切有关的实验研究,观测得是那样仔细,分析得又是如此透彻。因而不久就赢得了该奖。

库仑以其敏锐的眼光,指出影响摩擦力的因素有:接触表面的性质及其涂层,表面承受的压力,接触时间,表面滑动的速度,空气的湿度或干燥程度等条件,一共12项之多,从而具体明确地表述了摩擦定律、滚动定律和滑动定律。

库仑还以其灵巧的双手,逐项逐项地进行试验,经过艰苦的研究,他总结出下列经验公式:(1)对于滑动面之间的摩擦:F=A+Pμ式中,F表示摩擦力,P表示正压力,μ为摩擦系数的倒数,A表示一恒定不变的力。

(2)对于斜置的滑动面

F=Aμ+p(cosn+sinn)μcosm+sinm式中,n为斜面与水平面的夹角,m为力F的作用方向与斜面的夹角。

(3)对于滚动摩擦

F=kpr式中,r为圆筒半径,k为滚动摩擦系数。正由于库仑对摩擦力的卓有成效的研究,他不仅得了奖,而且于次年当选为法国科学院院士。为了保持较好的科学实验条件,库仑仍在法国军队中服务,但他的名字却传遍了欧洲科学界。

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