摩擦力

基础

摩擦力阻碍相对运动,方向与运动方向相反。它有益(走路、煞车)也有害(磨损、浪费能量);可用纹理增加,也可用润滑剂、滚珠轴承减少。

适合:中二科学 · 单元:力和运动 · 建议学习路径第 11/19 课

学完呢课,你会识:
  • 摩擦力阻碍相对运动,方向与运动方向相反。
  • 摩擦有益(走路、煞车)也有害(磨损、浪费能量)。
  • 增加摩擦:加纹理、撒沙、涂镁粉。
文体:科普知识有声朗读

文体小知识:科普知识文章用生活实例解释科学概念,先看现象再讲原理,读完就能解释日常见到的东西。

科学Science

§课文原文 Passage

1在结冰的行人路上走路要小心翼翼,在干燥的行人路上却步履如飞 — 分别就在摩擦力。摩擦力是两个接触面之间阻碍相对运动的力,方向永远与运动(或运动趋势)相反。

2摩擦有两副面孔。有益的一面:鞋底的纹理、汽车的煞车、筷子夹菜、笔尖写字,全都依赖摩擦。有害的一面:零件磨损、机器发热、能量白白浪费。

3因此人类一面增加摩擦、一面减少摩擦:鞋底造纹、雨天撒沙是增加;门铰加机油、轮轴装滚珠轴承、车身造流线型是减少。用在哪一边,全看需要。

4摩擦力其实只是「力」的一种。下一课我们学习怎样量化运动本身 — 用速率和距离时间图,把「快」与「慢」变成可以计算的数字。

1重点摘要 Summary

摩擦力阻碍相对运动,方向与运动方向相反。它有益(走路、煞车)也有害(磨损、浪费能量);可用纹理增加,也可用润滑剂、滚珠轴承减少。

2生字卡 Vocabulary

F
Friction摩擦力

两个接触面之间阻碍相对运动(或运动趋势)的力。

R
Roughness粗糙程度

接触面凹凸不平的程度;表面越粗糙,摩擦越大。

L
Lubricant润滑剂

加在接触面之间以减少摩擦的物质,例如机油。

B
Ball bearing滚珠轴承

用滚动代替滑动以大幅减少摩擦的环形装置,常见于单车轮轴。

G
Grip抓地力

鞋底或车胎与地面之间的摩擦,令我们走路和煞车时不打滑。

W
Wear磨损

摩擦长期令表面物质损耗,例如鞋底越穿越薄。

S
Streamlined流线型

减少空气或水阻力的形状,例如跑车和高速列车的车头。

A
Air resistance空气阻力

物体在空气中移动时受到的阻碍力,是摩擦的一种;速度越快阻力越大。

3逐步讲解 Steps

  1. 摩擦力的方向摩擦力总是沿接触面、与相对运动趋势相反:向前推木箱而箱子未动,摩擦力便向后顶住,与推力平衡;推力大过最大静摩擦后,箱子才开始滑动;滑动时摩擦力仍然向后,令它慢慢减速。所以摩擦力永远不会推动物体向前,只会阻碍相对滑动,这是判断摩擦方向的关键,答题时先认清运动趋势。
  2. 有益的摩擦摩擦是生活必需品:没有摩擦,走路会滑倒、汽车煞车停不住、筷子夹不住菜、螺丝也拧不紧。结冰路面摩擦骤减,行人容易滑倒、车辆难以煞停,正是最有说服力的例子。鞋底造纹、轮胎加花纹,都是为了确保有足够摩擦。可见摩擦并非越少越好,关键在于按需要调节大小。
  3. 有害的摩擦摩擦也有害处:鞋底越穿越薄、门铰「吱吱」作响、机器零件发热磨损,都是摩擦造成的损耗。摩擦把有用的能量变成热和声音散失,令机器效率下降,零件寿命缩短。所以磨损的零件要定期更换,机器要定期保养上油。工程师的一项重要任务,正是把有害摩擦减到最低,延长机器寿命。
  4. 增加摩擦的方法增加摩擦的思路是令接触面更粗糙或加大压力:鞋底造纹、雨天在斜路撒沙、体操运动员手上涂镁粉、拧不开樽盖时垫一条粗胶圈,都是加大接触面的凹凸。轮胎花纹把水排走,避免水膜令摩擦骤减。这些方法在运动、交通和日常生活中随处可见,时刻保障著我们的安全,十分重要。
  5. 减少摩擦的方法减少摩擦的核心思路有二:一是令接触面分离或更光滑,例如门铰加机油润滑、雪橇底部抛光;二是以滚动代替滑动,例如单车轮轴装滚珠轴承。对空气阻力则把跑车和飞机做成流线型,让气流顺滑通过。磁浮列车更以磁力把车身托起,几乎消除接触,是减少摩擦的极致例子。
  6. 摩擦与滑行距离摩擦大小直接决定滑行距离:冰面摩擦小,溜冰一推可以滑得很远;沙地摩擦大,同样一推很快便停。这说明摩擦越小,滑得越远,也解释了为什么湿滑路面要保持更长煞车距离。另外,速度越快空气阻力越大,所以高速车辆和列车特别注重流线型设计,把阻力减至最低,才能又快又稳。

4图解 Diagrams

摩擦力的方向 Direction of friction木箱运动方向 motion摩擦力 friction摩擦力:沿接触面,方向与相对运动方向相反opposes relative motion across the surface in contact冇摩擦会点?行路跣脚、煞车唔停、螺丝扭唔紧 without friction we could not walk or brake
图 1:摩擦力的方向
增加 vs 减少摩擦 More grip vs less drag增加摩擦 Increase减少摩擦 Reduce鞋底加纹 gripping solestyre treads stop slipping· 拣粗糙面 rough surfaces· 加大压力 press harder例:煞车皮、波鞋底、拧螺丝滚珠轴承ball bearings润滑剂 lubricating oil· 打磨光滑 smooth polish· 气垫/磁浮 hover & maglev有利有弊:走路要佢、机器耗能就减佢——按需要控制 friction is useful and costly
图 2:增加与减少摩擦

5例题示范 Example

例题:单车落斜时越滑越快,到了平路慢慢停下。指出摩擦力的角色,并提出两种令单车滑得更远的方法。

  1. 落斜时重力令单车加速,同时空气阻力和地面摩擦不断阻碍它。
  2. 平路上没有重力推动,摩擦力令单车逐渐减速,最后停下。
  3. 方法一:为链条和轮轴加润滑油,减少金属件之间的摩擦。
  4. 方法二:骑手俯伏成流线型姿势,减少空气阻力。
  5. 答案:落斜时重力令单车加速,但地面摩擦与空气阻力不断阻碍它;到了平路,推动力消失,摩擦力便令单车逐渐减速直至停下。要滑得更远:一是为链条和轮轴加润滑油,减少零件间的摩擦;二是骑手俯伏成流线型,减少空气阻力。两者都从减少阻碍入手。

6常见错误 Mistakes

✗ 「摩擦力方向同运动方向相同。」
✓ 相反:摩擦力永远阻碍相对运动,方向与运动方向相反。
✗ 「摩擦力只有害处。」
✓ 走路、煞车、写字全靠摩擦;没有摩擦寸步难行。
✗ 「接触面越光滑越好。」
✓ 视乎用途:机器要光滑省力,鞋底和车胎却要粗糙防滑。
✗ 「重的物件一定滑得快过轻的。」
✓ 滑多远主要视乎摩擦和初速,不是单看重量。

75 题快测 Quick check

Q1摩擦力的方向与物体运动方向有什么关系?

Q2举出两个增加摩擦的例子。

Q3滚珠轴承用什么原理减少摩擦?

Q4机油属于什么?作用是什么?

Q5举出两项依靠摩擦才能完成的日常活动。

8重点回顾 Recap

  • 摩擦力阻碍相对运动,方向与运动方向相反。
  • 摩擦有益(走路、煞车)也有害(磨损、浪费能量)。
  • 增加摩擦:加纹理、撒沙、涂镁粉。
  • 减少摩擦:润滑剂、滚珠轴承、流线型。
  • 摩擦越小,物体滑得越远。

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