|
(波士顿儿童博物馆里牌子，养成科学习惯-观察、思考、提问和动手尝试) 对摩擦力感兴趣要从儿子上幼儿园小班时学轮滑说起。那时儿子刚学轮滑，经常兴致勃勃地在家里滑来滑去。为了和他一起玩，我们也买了一双轮滑鞋。以前没学过轮滑，必须小心翼翼才能不滑倒，所以很好奇老师是怎么教小朋友？看到经验丰富的老师让小朋友站在轮滑包上，瞬间明白老师充分利用了摩擦力。2016年8月在喜玛拉雅《物理源自生活》专辑里录了《为什么刚学轮滑时容易摔倒？-神奇的摩擦力》。 (4岁小朋友们在院子塑胶地面学轮滑) 摩擦力起源于什么呢？它的大小由什么决定？它有什么效果呢？摩擦力不易察觉，但突然消失的摩擦力让我们大跌一跤才猛然醒悟到它的作用。摩擦力现象对家庭和亲子关系有什么启示呢？ 摩擦力的效果、利与弊 最近去波士顿儿童博物馆玩。第一层有很多演示运动的装置，大部分用的是高尔夫球。与摩擦力密切相关的演示装置有2个。一个是高尔夫球在半圆形的轨道上来回摆动，可以看到球能达到的高度越来越低，为什么呢？高尔夫运动时会受到轨道摩擦力和空气阻力(与此相对比的是，单摆在空间只受到空气阻力，衰减慢多了)。还有一个是从高处投放高尔夫球，它将幸运地可以越过一个高顶，这个顶的高度小于投放球的高度。并且之后的一系列高顶越来越矮，否则就如前面那个装置一样，高尔夫球只能在第一个谷底附近来回摆动并最终停止。 摩擦力在日常生活中无处不在，日积月累却有着惊人的效果。比如，鞋子鞋底经过一段时间就磨损了，就是因为我们走路时鞋底和地面之间产生了摩擦，而慢慢地损耗掉一小部分。虽然摩擦力磨掉鞋底的效果很显著，那为什么平时我们却不容易察觉它的存在呢？主要是因为我们往前走路，身体不是绝对的直立向上而是稍稍往前倾斜，运动员终点冲刺时前倾更厉害。我们前倾时，一方面是人体的重心还在平衡范围呢，另一个方面是摩擦力帮助了我们维持身体平衡。受力平衡的效果与整体不受力一样，所以很难感受到摩擦力的存在。 怎样才能明显地感受到它的存在呢？最好是让摩擦力明显减小甚至消失。冰面行走、轮滑、溜冰，雨雪天气路面打滑，就是因为接触面光滑而摩擦力大大减小。摩擦力减小，我们的身体很容易失去平衡而摔倒，或者开车打滑，此时速度不宜过快。比如有时踩到西瓜皮、香蕉皮而没注意到，打滑得吓出一身冷汗。人体也非常智慧，经过练习、慢慢调整，摩擦力减少时身体可以保持平衡。刚学溜冰时可以张开双臂、滑行速度不要那么快。熟练以后再慢慢加快速度并做出各种高难动作。 摩擦力与运动或趋势、摩擦力大小 摩擦力的起源是物体与所支撑平面之间的相对运动或运动趋势决定的。摩擦力与运动方向(或运动趋势)相反，阻止物体运动(或运动趋势) 。当物体处于运动状态，支撑平面不光滑时就会产生摩擦力，此时被称为动摩擦力。动摩擦力的大小由物体与接触面之间的压力和接触面摩擦系数的乘积决定。 当物体在支撑面上保持静止状态，但与支撑面有运动趋势时也会存在摩擦力，此时摩擦力被称为静摩擦力。这个运动趋势从哪而来？要么在平衡状态下外界突然施加了力，要么它受到的外力之和造成物体有个运动趋势，或者外界造成它的运动状态发生改变。中学物理中，动摩擦力相对简单，令人琢磨不透的是静摩擦力了。在运动趋势下，静摩擦力有个最大值，即支撑面能给予的最大摩擦力。当运动趋势超过最大静摩擦力时，将会发生运动；否则物体继续保持静止状态。 中学物理中，受力分析很重要，因为力是运动的起源。因地球引力，物体重力可以确定，我们称之为主动力。重力G或重力垂直于支撑面的分量G1为压力，平面或斜面对重物的支撑力N是反作用力(为被动力)。如图1所示，50斤重的孩子和一百多斤重的大人站立时，地面的支撑力他们的重力，只要地面承受得起。当重物在斜面时，斜面的支撑力N垂直向上，与重力垂直于斜面的分量G1平衡。重力沿斜面的分量G2产生下滑的趋势，如果斜面光滑物体就下滑。一般情况下，斜面比较粗糙从而产生静摩擦力。静摩擦力的最大值fmax由N(=G1)和斜面摩擦系数决定。当fmax大于或等于G2时，物体保持静止，否则物体滑动。当斜面角度变大，N越小、G2越大，因此最大静摩擦力越来越小，很难抗衡G2。“上山容易下山难”，下山很容易摔跤。还有爬树很费力，除非手抓住树枝用上力气。孩子因为体重轻、比大人容易爬上树，与重力保持平衡所需的静摩擦力小。 走路过程中摩擦力有利有弊。弊的是磨损鞋底，利的是可以帮助保持身体平衡，不易摔倒。生活中我们尽量利用摩擦力的好处。登山或攀岩时，需要尽量增大摩擦力以确保不掉下来或摔下来。尤其是陡峭的山路，身体尽量贴近坡面，手用劲抓住旁边的石头或者树，脚也尽量使劲踩住地面。因为增加压力可以相应地增加摩擦力，登山时我总是有意地这么做以加大安全性。还有滑滑梯时，我们也可以有意地增加滑梯侧面的摩擦力，减慢下滑速度，从而保证不摔倒。还有手上有水很难拧开瓶盖，擦干水或者拿毛巾衣服捂在瓶口处，增大摩擦力就很容易拧开盖子。 (超长超陡的滑滑梯，孩子们的最爱，很多人第一次滑都摔跤了) 摩擦力的启示-家庭和亲子 不小心踩到西瓜皮、香蕉皮，脚底一滑吓出一身冷汗。这时才意识到平常摩擦力帮助我们维持平衡。家庭或者亲子关系中也是这样，处于困境或无法解决问题时，我们不妨扮演一下那个突然减小或者消失的摩擦力。当我们施加作用力减小，对方要保持平衡的反作用力也要减少。如果对方反作用力保持原样，明显可以感觉到异常(类似“脚下一滑”)。像学溜冰时从开始的张牙舞爪到熟练后优美的动作。因为外界干扰(像摩擦力)减少，我们把所有的注意力放到自身并专注做好自己的事情。因此在家庭和亲子教育中，偶尔放放手，也会有意想不到的效果。 还有一个最常见的现象，家长们看别人家娃很优秀，忍不住也想在家推娃。要不要推娃？可以拿斜面上的静摩擦力来说，如果孩子有潜力、不排斥被推的话，可以适当推一下。当我们推力很小时，孩子的反抗可能不是那么大；但是当推力过大，超过孩子的能力范围(像最大静摩擦力)时，于是就沿斜面下滑。自家孩子学习，我采取循序渐进、量力而行的方法。后续我还会讨论物理相变现象对孩子养成良好学习习惯的启示。 |
|
|
