当前位置首页 > 教育资讯

(涨姿势)小车滑动摩擦力永远做负功!

更新时间:2024-01-08 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

“摩擦生热”是一句常常被说起但又不严谨的话,磨擦生热说的是“摩擦力做负功耗散机械能,机械能转化为内能,物体吸收热量体温下降。”那么,滑动磨擦力永远做负功吗?俺们进行一次思想实验。LzR物理好资源网(原物理ok网)

构想有一个滑块以速率υ沿水平地面向右运动,滑块遭到地面施与的滑动磨擦力Ff向左,如图3.27所示,滑动磨擦力Ff做负功,使机械能转化为内能,因“摩擦生热”使滑块的气温下降,所以滑块上的湿度计的液柱下降。LzR物理好资源网(原物理ok网)

再构想有一辆货车沿地面向右以速率2υ匀速运动,如图3.28所示。地面是惯性系,相对地面做匀速直线运动的货车也是惯性系。对于所有惯性系,数学规律都是相同的。我们在货车惯性系里观察滑块的运动,发觉滑块将向左以速率υ沿水平地面运动,这样向左的滑动LzR物理好资源网(原物理ok网)

磨擦力Ff做正功。从常识可知,机械能转化为内能这件事在两个惯性系里就会发生,在货车惯性系里观察滑块上的湿度计的液柱也一样会上升。并且,这不就和滑动磨擦力Ff做正功发生矛盾了吗?LzR物理好资源网(原物理ok网)

问题出在我们忽略了滑动磨擦力Ff的反斥力Ffʹ,Ffʹ是地面遭到的由滑块施与的滑动磨擦力,在地面惯性系里Ffʹ不做功,图3.27中根本就没画它。并且在货车惯性系里,Ffʹ的受力质点向左以速率2υ运动,往右的滑动磨擦力Ffʹ做负功!LzR物理好资源网(原物理ok网)

再估算一下滑动磨擦力做功的数目,在地面惯性系里,Ff做负功,功率为υFf,Ffʹ不做功,一对斥力和反斥力Ff和Ffʹ做功之和为负功,功率为υFf。在货车惯性系里,Ff做正功,功率为υFf;Ffʹ做负功,功率为2υFfʹ;因为Ff=Ffʹ,所以,一对斥力和反斥力Ff和Ffʹ做功之和仍然为负功,功率为υFf。哈哈!没有问题。LzR物理好资源网(原物理ok网)

这个思想实验告诉我们三个重要的事实。LzR物理好资源网(原物理ok网)

1.力做功和参考系有关,在不同的参考系里力做功的多少、正负都可能不同。LzR物理好资源网(原物理ok网)

2.一对斥力和反斥力做功之和与参考系的选定无关,做功的多少、正负相同。LzR物理好资源网(原物理ok网)

3.涉及不同方式的能量转化的问题时,因为能量转化的问题与参考系无关,所以机械功应当用一对斥力和反斥力做功之和来测度。LzR物理好资源网(原物理ok网)

下边瞧瞧怎么估算一对斥力和反斥力做功之和。设有两个质点m和mʹ沿Ox运动滑动摩擦力一定做负功吗,位置为x和xʹ,它们之间有互相斥力F和Fʹ,如图3.29所示。LzR物理好资源网(原物理ok网)

因力Fʹ的指向为Ox轴的反方向,位移Δxʹ以x降低的方向(即Ox轴方向)为正方向,所以力Fʹ做功Wʹ=-FʹΔxʹ。力F做功为W=FΔx。考虑到F=Fʹ,互相斥力F和Fʹ做功之和为WZ=FΔx-FʹΔxʹ=F(Δx-Δxʹ)=FΔ(x-xʹ)LzR物理好资源网(原物理ok网)

式中x-xʹ反映了两个质点的距离,Δ(x-xʹ)反映了两个质点宽度离的改变。由上式可以总结出以下推论。LzR物理好资源网(原物理ok网)

1.当两个受力质点遭到的互相斥力为作用力时,假如两个质点间的距离减小滑动摩擦力一定做负功吗,则一对互相斥力做正功;若两个质点的距离增大,则一对互相斥力做负功;做功的数值为力与距离改变量的乘积。LzR物理好资源网(原物理ok网)

2.当两个受力质点遭到的互相斥力为引力时,假如两个质点距离减小,则一对互相斥力做负功;若两个质点的距离增大,则一对互相斥力做正功;做功的数值为力与距离改变量的乘积。LzR物理好资源网(原物理ok网)

3.因为一对滑动磨擦力Ff和Ffʹ总是制约受力质点的相对滑动,所以一对滑动磨擦力Ff和Ffʹ做功之和永远为负功,一定会造成机械能的耗散。LzR物理好资源网(原物理ok网)

下边看一个反例。使劲把一块橡皮泥压扁,橡皮泥原先的长度为d,如图3.30所示。橡皮泥两边受力F和Fʹ,何必计较橡皮泥的哪一边静止和哪一边运动,或橡皮泥的两侧都在运动,只要晓得橡皮泥被压薄了a(长度由d变为d-a),就可以晓得这一对力F和Fʹ做功之和为正功,做功的数目为Fa。LzR物理好资源网(原物理ok网)

在橡皮泥被压扁的过程中,外力F和Fʹ做正功,这部份机械能去哪了?这很简单,F和Fʹ做正功使橡皮泥形变,在橡皮泥形变过程中机械能被耗散。不只是橡皮泥,其他介质在形变的过程中也会使机械煤耗散,这个推论将应用于下一篇讨论“滚动磨擦”之中。LzR物理好资源网(原物理ok网)

再看另一个反例。有这样一道试题:蹲着的人站了上去,重心下降,重力势能降低,这一部份机械能从何而至?LzR物理好资源网(原物理ok网)

蹲着的人在站上去的过程中,人所受的外力只有重力和地面支持力。估算了重力势能的变化,就不用再估算重力的功。地面支持力的受力质点在人的脚上,脚上的受力质点在人站上去的过程中始终保持不动,所以地面支持力不做功。重力势能降低的这部份机械能来始于人体内部胸肌收缩做的功。LzR物理好资源网(原物理ok网)

下边用图3.31来说明胸肌收缩怎么做功,图中右侧的黑点代表胸肌在骨骼上的附着点,附着点也就是胸肌施力于骨骼的受力质点。设F和Fʹ为胸肌作用于骨骼的一对力,受力质点间的距离为l,我们何必顾及胸肌两端受力质点是否都在运动之中,只要胸肌收缩使受力质点间的距离减短为l-a,则可知一对胸肌拉力F和Fʹ做功之和为正功,做功的数目为Fa。LzR物理好资源网(原物理ok网)

发表评论

统计代码放这里