使用过钻头的人都会有这样的体会,在用钻头钻木头时,当钻头钻到木头里后,如果停钻,要拔出钻头就比较困难,但如果在钻头继续旋转的时候去拔它,就能较容易地拔出钻头来。同样是从木头中拔出钻头,但在不同的运动状态下其难易程度却不同,这是什么原因造成的呢?笔者曾在《高中物理同步测控优化设计教师用书》[1]一书的第一章(力)结尾部分的“阅读与思考”一文中看到过对这种现象的解释,文中把这种现象解释为摩擦规律作用的结果,具体解释为:“在滑动摩擦中,当一个物体相对另一个物体滑动的时候,在与滑动方向相垂直的方向上摩擦力十分小,所以当钻头在水平方向转动时,在水平方向上有滑动摩擦,因此在竖直方向上的摩擦力就很小,这样,只要轻轻用力,钻头就拔出来了”。笔者认为,这种解释有点模糊,这种现象不应归结为摩擦规律的作用,应是物体运动过程中所受外力、滑动摩擦力和运动状态改变之间的关系问题,从外力的改变引起物体运动状态的改变而导致物体受到的滑动摩擦力的改变这一角度出发可以解释清楚这种现象的成因。下面举例分析并解释这种现象。
设质量为M的物体在水平拉力的作用下,在水平粗糙面上做初速为vo的匀加速直线运动,则这个物体受四个力的作用,即重力G、支持力N、拉力F、滑动摩擦力f,其中重力G、支持力N在垂直水平面的方向上,和物体运动方向垂直,拉力F、滑动摩擦力f在水平方向上,二力的方向和物体运动方向平行。由于在水平面内垂直物体运动的方向上物体不受外力,因而没有相对运动趋势或相对运动发生,当然也就不产生摩擦力(或者说摩擦力为零)。此时若在水平面内垂直物体运动方向上施以拉力F1,则在水平面内物体受到三个力的作用,即拉力F、拉力F1、滑动摩擦力f,这三个力的合力将不再和物体原运动方向平行,而是和物体原运动方向之间有一定的夹角。由物体做曲线运动的条件判断可知,物体将随F1的出现而开始做曲线运动,运动方向、运动状态将随合力的变化而发生改变,此时物体受到的滑动摩擦力和无F1时相比较大小虽然不变,仍为f(N、μ未变),但方向却发生了改变,按处理曲线运动的基本思路(分解成不同方向上的直线运动)来分析,物体将同时参与两个方向上的直线运动,即原运动方向上(vo的方向)的直线运动和垂直原运动方向上的直线运动。在垂直原运动方向上,由于F1的作用物体相对于地面有滑动,因而会受到滑动摩擦力的作用,但这个滑动摩擦力应是物体运动中受到的滑动摩擦力的一个分力(根据滑动摩擦力的概念及产生条件知,运动的物体在合运动的过程中只能受一个滑动摩擦力,分运动方向上的滑动摩擦力都是合运动方向上物体受到的滑动摩擦力的分力),画水平面内的受力草图可以看出,这个分力就是图中的fy。根据合力和分力的关系应有fy=f·sin,从关系式可知,在f不变的前提下,fy的大小和(合运动方向v和原运动方向vo间的夹角)的大小相关,如果施加的F1较小,则在F1的方向上产生的加速度较小,因而物体运动方向的改变就较小,当然夹角也就较小,fy就较小,所以这个方向上的摩擦力就小;相反,如果施加的F1较大,则在F1的方向上产生的加速度就较大,从而物体运动方向的改变就较大,合运动和原运动方向间的夹角也就较大,由fy=f·sin知这个方向上的摩擦力就较大。弄清楚运动状态变化后不同方向上摩擦力的变化情况后,解释关于钻头转动过程中的拔出问题就显得比较容易了。当钻头停钻时,水平方向未运动,在垂直方向上要拔出来,钻头受到的滑动摩擦力的大小应为f=N·,因N较大,故f也较大,所以难以拔出。当钻头在水平方向上转动时,滑动摩擦力的方向在水平方向,此时若在垂直方向施以较小的力(如前面的F1),由前面的分析可知,钻头的运动方向会改变,钻头受到的滑动摩擦力的方向也会发生改变,垂直方向上的摩擦力为滑动摩擦力的分力(如前面的fy),因施加的外力较小,因而摩擦分力就较小,对钻头的阻碍作用也就较小,所以钻头较易拔出。相反,如果想用较大的力猛然(或快速)拔出钻头的话,由前面的讨论可知,垂直方向上产生的摩擦分力会较大,即钻头受到的阻碍作用会较大,反而又会变成不易拔出了。
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