核心概念
物理学
力
摩擦力
表面积
引言
有时摩擦力会很烦人。它会使推重物(如家具)变得困难,甚至在你摔倒时会给你带来严重的擦伤。但摩擦力实际上非常重要——没有它,你根本无法移动,甚至无法拿起东西!试试这个项目,了解摩擦力如何导致一些令人惊讶的效果——例如,使你几乎不可能把两本书拉开。
背景
你每天都在体验摩擦力。当你走路时,摩擦力会阻止你的脚在地板上滑倒。想象一下,如果每个表面都像冰一样光滑——到处走动会非常困难!摩擦力是一种力,或一种可以作用于物体的“推力”或“拉力”。
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在物理学中,两个表面之间的摩擦力由一个叫做摩擦系数的东西决定。较高的摩擦系数意味着两个表面之间的摩擦力更大,或者它们会更“不光滑”。例如,您的鞋子的橡胶鞋底和铺有地毯的地板比冰上的冰鞋具有更高的摩擦系数。摩擦力的大小还取决于一个叫做正压力的东西。在这种情况下,“正”表示“垂直于表面”。较高的正压力将导致更高的摩擦力。例如,想象两个相同的纸板箱放在木地板上。一个箱子是空的并且很轻,而另一个箱子装满了东西并且很重。在这两种情况下,摩擦系数(纸板和木材之间)是相同的。然而,较重的箱子将更难在地板上滑动。这是因为箱子和地板之间的正压力更大,所以摩擦力更大。
现在,想想两张纸之间的摩擦力。如果你把两张纸叠在一起,应该很容易把它们拉开,对吧?如果你把一大堆纸张重叠起来,比如两本书的书页,会发生什么?它们仍然容易拉开吗?尝试这个令人惊讶的活动来找出答案!
材料
两本大小相同的书(不一定是电话簿)或两本厚杂志、便签本或便签板
准备工作
将您的两本书或便签本放在平坦的桌子上,使“装订”端彼此背对。
步骤
打开两本书,并将它们的封底至少重叠一半。
逐页交错放置两本书的书页,方法是先将左边书的一页向下折叠,然后将右边书的一页折叠在其上,然后再折叠左边书的一页。
以这种方式交替进行约十几页。
现在尝试把书拉开。把书拉开有多容易?你能做到吗?如果你只抓住其中一本,垂直悬挂这些书——它们能支撑自身的重量吗?
重新开始,并交错放置比第一次更多的书页。
重复测试过程,尝试不同的测试,看看你是否可以把书拉开。如果将这些书垂直悬挂,它们能支撑自身的重量吗?你能和另一个人进行“拔河”来把它们拉开吗?
继续在交错放置越来越多书页后进行测试,直到你再也无法把书拉开。你是否对这些书能承受的力量感到惊讶?在无法把书拉开之前,你必须交错放置多少页?
要分开这些书,您可能必须一次将书页折回。您还可以尝试弯曲两本书,使它们彼此相对,这将导致书页堆叠的一端开始分离。
额外: 尝试使用具有可拆卸穿孔纸张的两个便签本或笔记本进行此活动。从每个笔记本中取出每一张纸,然后尝试不同的测试。它们同样难以拉开吗,还是有什么变化?你认为这可能是什么原因?
[中断]
观察和结果
您应该发现,当只有几页交错放置时,很容易将书拉开。然而,当您交错放置越来越多的书页时,将它们拉开很快就会变得非常困难——直到很快,您根本无法将它们分开!尽管这个项目的经典演示使用大型电话簿,但即使对于小得多的书籍(包括便签板)也效果很好。根据您在背景部分中阅读的内容,您能弄清楚为什么会发生这种情况吗?
您知道摩擦系数不会改变,因为表面仍然是相同的材料(纸)。事实证明,当您尝试拉开这两本书时,中间交错的书页会更紧地挤压在一起——这会增加它们之间的正压力,从而增加整体摩擦力。这意味着你拉得越用力,摩擦力就越高,书页就越难拉开!
网上有很多关于这个项目的演示和视频,但在阅读时要小心,因为对于它的工作原理存在一些常见的误解和不正确的解释。一种误解是,这种效应是由于所有书页的重量向下压在彼此上的正压力造成的。然而,这不可能是真的,因为如果你垂直悬挂书本,该活动仍然有效,在这种情况下,每页的重量都不会对下一页产生正压力。第二种常见的错误解释是,将许多书页交错放置在一起导致“表面积增加”,从而产生更大的摩擦力。这也是不正确的——即使接触的纸张之间存在大量的表面积,一叠普通的纸也会很容易散开。此活动中的效果发生在中间交错的书页在您尝试拉开书本时被挤压在一起。如果您在进行实验时从侧面观察您的书本,您可以看到这一点。当您根本不拉它们时——甚至如果您将它们稍微推在一起——您应该能够看到某些书页之间的一些小间隙。但是当您拉书本时,这些间隙会迅速闭合,并且书页会平摊在一起。尝试该步骤中的“额外”步骤,以查看如果您使用每隔一页都删除的便签本,这种情况会如何变化。(这导致中间交错的书页堆叠的高度与任一便签本的装订高度相同,而不是两倍厚——因此当您尝试将它们拉开时,书页不会向内拉。)
更多探索 电话簿摩擦力,来自《流言终结者》
两本交错放置的电话簿之谜(pdf),来自康奈尔大学图书馆
滑溜的科学:通过发射物体探索摩擦力,来自大众科学 适合所有年龄段的科学活动!,来自科学伙伴
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