不同质地纸张相同环境下摩擦力大小的研究.doc

重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文不同质地纸张相同环境下摩擦力大小的研究摘要: 本工作采用各种规格薄厚新旧程度不同的书本若干，将质地页数相同的两本书本每页与每页之间相互紧密叠加，利用各种测力工具，将书本平动拉开，由于纸张之间存在着摩擦力，而不同粗糙程度的纸张摩擦力有着很大的差异，书本的薄厚程度也将影响期间存在的摩擦力大小，因而严格采用控制变量法，测出不同薄厚，不同质地的书本间存在的摩擦力。主要研究影响摩擦力大小的因素，和书本间存在的摩擦力大小的程度问题。关键字: 摩擦力;规格；薄厚；新旧程度; 不同粗糙程度1. 引言摩擦力-概述摩擦力与相互摩擦的物体有关，因此物理学中对摩擦力所做出的描述不一般化，也不象对其它力那样精确。事实上，只有在忽略摩擦力的情况下人们才能引出力学中的基本定律。虽然如此摩擦力是世界上的一个事实。没有摩擦力的话鞋带无法系紧，螺丝钉和钉子无法固定物体；没有摩擦力的话既不会有交通也不会有性交。摩擦力内最大的区分是静摩擦力与其它摩擦力之间的区别。有人认为静摩擦力实际上不应该算作摩擦力。其它的摩擦力其它的摩擦力都与耗散有关：它使得相互摩擦的物体的相对速度降低，将机械能转化为热能并提高熵。固体表面之间的摩擦力分滑动摩擦、滚动摩擦、滚压摩擦和转动摩擦。在工程技术中人们使用润滑剂来降低摩擦。假如相互摩擦的两个表面被一层液体隔离，那么它们之间可以产生液体摩擦，假如液体的隔离不彻底的话，那么也可能产生混合摩擦。假如润滑剂、液体或气体沿一个固体表面流动，其流速会受摩擦力的影响而降低。固体表面的构造对这个摩擦力的影响比较小，最主要的是流体的横截面面积。其原因是不仅在流体与固体的交面有摩擦力，流体内部不同的层之间也有内部摩擦，流体离固体表面的距离不同，其流速也不同。一个相对于一个流体运动的物体受到阻力。这个阻力与它的运动方向相反。在层流的情况下这个阻力与它的速度成比例，在紊流中这个阻力与它的速度的平方成比例。有时一个物体同时受到阻力和摩擦力，比如一辆汽车在运动时既受到空气的阻力也受到其轮胎的滚动摩擦。摩擦力-摩擦力(1)定义：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时。就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力,这种力就叫做摩擦力。(2)物体之间产生摩擦力必须要具备以下三个条件:第一,物体间相互接触、挤压第二,接触面不光滑第三,物体间有相对运动趋势或相对运动。摩擦力-滑动摩擦力(1)定义:当一个物体在另一个物体表面上滑动时产生的摩擦力叫滑动摩擦力。(2)研究滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关系的实验:实验时为什么要用弹簧秤拉木块做匀速直线运动?这是因为弹簧秤测出的是拉力大小而不是摩擦力大小。当木块做匀速直线运动时,木块水平方向受到的拉力和木板对木块的摩擦力就是一对平衡力。根据两力平衡的条件,拉力大小应和摩擦力大小相等。所以测出了拉力大小也就是测出了摩擦力大小。大量实验表明,滑动摩擦力的大小只跟压力大小、接触面的粗糙程度相关。压力越大,滑动摩擦力越大;接触面越粗糙,滑动摩擦力越大。(3)滑动摩擦力是阻碍相互接触物体间相对运动的力,不一定是阻碍物体运动的力。即摩擦力不一定是阻力,它也可能是使物体运动的动力,要清楚阻碍“相对运动”是以相互接触的物体作为参照物的。“物体运动”可能是以其它物体作参照物的。如:实验中在木块上放一个砝码,用弹簧秤拉木块作匀速直线运动时,砝码是由于受到木块对它的静摩擦力才随木块一道由静止变为运动的。具体情况是:当木块受到拉力由静止向前运动时,砝码相对于木块要向后滑动,木块就给砝码一个阻碍它向后滑动的摩擦力,这个摩擦力的方向是向前的。所以砝码相对于木块没有滑动,这时的摩擦力就是静摩擦力。(4)滑动摩擦力大小与物体运动的快慢无关,与物体间接触面积大小无关。(5)研究实际问题时,为了简化往往采用“理想化”的做法,如某物体放在另一物体的光滑的表面上,这“光滑”就意味着两个物体如果发生相对运动时,它们之间没有摩擦。混合摩擦在润滑剂不够或运动的开始会出现混合摩擦。这时摩擦面部分地区会直接接触。混合摩擦造成的磨损比固体摩擦要小。在长时间运行的状态下应该避免混合摩擦，但往往在技术工程中混合摩擦被容忍。滑动摩擦F=mucdotF_N滑动摩擦力总是比最大静摩擦力要小。它由垂直于摩擦面的压力FN和滑动摩擦系数决定，它与滑动面之间的相对速度和面积无关。摩擦系数由滑动面的物质、粗糙度和（可能存在的）润滑剂所决定。滚动摩擦假如一个物体在一个平面上滚动的话，那么它会受到滚动摩擦。假如滚动的物体与平面之间的摩擦力等于施加于该物体上的其它所有力的合力的话，那么它的运动是一个纯的滚动运动，其中没有滑动的部分。滚压摩擦假如滚动运动和滑动运动同时存在，那么这种混合摩擦也被称为滚压摩擦。转动摩擦一个球沿其垂直于一个平面的轴转动时所产生的摩擦力被称为转动摩擦，它与转动运动的力矩T有关：N=fracTF_Nincm中华人民共和国，这个自1979年改革开放以来逐渐富强，向世界展现繁荣昌盛，富强的伟大国家，随着21世纪的到来和人们日益提升的生活质量，人们对物质的欲望和追求逐步攀升并且高涨，新世纪的中国人民要想向世界证明我们的强大，表现我们无比强大的综合国力，必须首要从科学做起，所谓科教兴国，任何一个地区或者国家，只有科学文化体系不断完善和创新，教育水平始终提高，才是繁荣富强的根本保障。中国人民需要在提升自身生活水平的精神前提下，对国家科研涉及的每一项技术不断地学习研究并给予创新，把新发现，新发明带领到争取的强国道路上。摩擦力，这个人类起源以来就伴随着而时刻与人们生产生活息息相关的古老名词，几千年来人们对于摩擦力的研究和发现历经变革，为人们的生活带来了重大的改变。方便，快捷，环保，健康，摩擦力这个总的领域给人们的高质量生活做出了巨大的贡献。本工作来源于实际生活，经本课题组商讨研究，发现相互叠加每一页纸张的书本之间存在着巨大的摩擦力，该摩擦力与诸多客观因素相关，并且该摩擦力来源方便简单，实用性很强。本工作中课题组成员惊奇的发现，看似不很起眼的书本间存在着很大的摩擦力，可以广泛应用于实际的生产生活中，为人们在力的领域的研究和应用有一定帮助。2. 实验方案（设计思想）本工作采用质地不同的各种薄厚程度的书本，将每两本相同的书每页与每页之间相互紧密叠加起来，并予以适当的固定（可采用铆钉枪将书本扉页前沿打通，小规格的书本可用普通夹子固定），置于相同的外界条件下（风等自然阻力的影响），利用弹簧测力计等各种包括大型测力工具，合人力机械等各项主观条件，尽可能的测出不同质地的纸张在相同环境下的摩擦力。实验前首先用弹簧测力计测出不同规格书本的动摩擦因数u，以便应用控制变量法得出实验结果。使用弹簧测力计测出各规格书本的质量，取当地重力加速度，（）为书本所受正压力，为书本单页所受滑动摩擦力。实验中应当严格控制的变量有：书本的粗糙程度即动摩擦因数u，书本厚度即纸张页数X，书本规格（，等）。每两本书紧密叠加后运用事先预备的人力仪器器具机械等测力资源依次测量，直至测出较为准确的摩擦力大小或不可实际测量为止表1.20张纸相互叠加在一起的实验数据记录：纸的大小8K16K32K摩擦系数拉力19.836.4100.525.640.6120.530.545.6130.6表2.50张纸相互叠加在一起的实验数据记录：纸的大小8K16K32K摩擦系数拉力55.6120.5252.360.2129.3260.872.5274.5270.6表3.100张纸相互叠加在一起的实验数据记录：纸的大小8K16K32K摩擦系数拉力120.6235.6325.6132.7245.6345.6142.3254.6365.8（）（）（）.（）3. 结果与讨论 在以20张质地相同大小不同的纸相互叠加的实验中发现，纸张越大他们之间的接触面积也就越大因而他们之间的摩擦力越大，亦只有使用更大的拉力才能将俩叠加的纸分开。以50.100张纸做的实验结果相同。另外在以相同纸数和相同大小的纸为前提，从实验中可以知道纸质的摩擦系数越大，相互叠加的纸就必须用更大的拉力才能将纸拉开。从这个实验中还可以知道随着相互叠加的纸的张数越来越多，他们之间想要拉开使用的拉力也要增大。 从实验中可以知道拉开相互叠加的纸的拉力和纸的摩擦系数u成正比。4.结论本工作采用质地，规格，薄厚程度各不同的书本每页与每页之间紧密叠加并予以固定，充分利用各种测力资源测出平动拉开书本所需摩擦力。实验得出结论，在质地相同，薄厚程度相同的情况下，规格越大的即质量越大的书本拉开所需力越大。质地相同，规格相同，页数越厚的书本，纸张之间的摩擦力越大。规格相同，页数相同的书本，每页的动摩擦因数越大即粗糙程度越大的，每页与每页之间的摩擦力都会增大，致使整体摩擦力增大，。因此，各项影响因素都对书平动拉开书本所需的力较大本之间的摩擦力大小成正影响，无论是规格变大，页数变厚，纸张变粗燥，都会使得摩擦力增大，而根据实验结果显示，纸张的粗糙程度是影响整体摩擦力大小的决定性因素，规格，厚度只是对书本本身的硬性条件要求。致谢本课题组成员衷心感谢重庆交通大学基础实验楼大学物理实验室韩向宇老师对本工作中测力资源的提供和摩擦力测量过程中的全程指导。参考文献1武际可 2010.07 力学史 上海辞书出版社2Hua J R, Zu X T, Li L, Xiang X, Chen M, Jiang X D, Yuan X D, Zheng W G, 2010 Acta Phys. Sin. 59(4) 2519 (in Chinese) 花金荣、祖小涛、李莉、向霞、陈猛、蒋晓东、袁晓东、郑万国 2010 物理学报 59(4) 25193 Huang J, Jiang X D, Liu H J, Lv H B, Wang H J, Yuan X D, Zheng W G, 2010 Acta Phys. Sin. 59(7) 4677 (in Chinese) 黄进、蒋晓东、刘红婕、吕海兵、王海军、袁晓东、郑万国 2010 物理学报 59(7) 46774 Wang F R, Huang J, Liu H J, Zhou X D,Jiang X D, Wu W D, Zheng W G, 2010 Acta Phys. Sin. 59(7) 5122 (in Chinese) 王凤蕊、黄进、刘红婕、周信达、蒋晓东、吴卫东、郑万国 2010 物理学报 59(7) 51225 Liang F, Sun Q, Gingras D, Valle R, Chin S R. 2010 Appl. Phys. Lett 96 1019036 Ferris K F, Chick L A, Exarhos G J, Risser S M, 1998 Proc. SPIE 3244 142 7 Genin F Y, Stolz C J, 1996 Proc. SPIE 2870 4398 Kozlowski M R, Tench R J, Chow R, Sheehan L M, 1994 Proc. SPIE 2253 7439 Trnch R J, Kozlowski M R, Chow R, 1994 Proc. SPIE 2253 59610以龙，杨卫 2000.08 力学2000 气象出版社11葛世荣，朱华 2005.04 摩擦学的分形 机械工业出版社、121998 英汉力学词典 科学出版社13温诗铸，黄平 2008.09 摩擦学原理 清华大学出版社14Louis B.Newman,张元民，汤希庆 1986.07摩擦材料最近发展 中国建设工业出版社15周仲荣，雷源忠，张嗣伟 2006 摩擦学发展前沿 科学出版社16关东媛 2011.03 结构力学 大连理工大学出版社17蒋玉川，徐双武，胡耀华 2008 结构力学 科学出版社The different texture of paper under the same environmental condition friction studies Zhang Chao Wang Kui Liu GuojieInstructor: Han Xiang Yu Chongqing Jiaotong University area of Chongqing City South Bank University Avenue 66 400074* E-mail: 348002517Abstract: the various specifications thin recency different ISBN number, the texture of the same two books this page page page and between closely overlapping, using various measuring tools, books will be moving apart, due to the paper exists between the friction, and different degree of roughness of paper friction force has very big difference, books thick and thin degree will also influence during the friction force, thus the strict applicati