关于摩擦力实验的观察与探究
在中学教科书中，对静摩擦力的描述为“静摩擦力的增加有个限度。静摩擦力的最大值F max 在数值上等于物体刚刚开始运动时的拉力。” 在从静止到滑动状态变化过程中，多数教科书中描述是：“当拉力达到某一数值F max 时物体（木块）开始运动，此时拉力会突然变小。”也就是说F max >F 0
图1
由于摩擦力产生在两物体的接触面，因此直接测量是困难的，在实验中往往都是根据二力平衡的原理，测量摩擦力的平衡力。这就要求在测量中物体要处于平衡状态：对于测静摩擦力，物体应是静止的，在拉力作用下，好像是具有运动的趋势，但事实上既没有位移、也没有加速度产生，因为此拉力被摩擦力平衡了。本实验设计中，拉力就是细线拉物块的力，或者说是传感器通过细线对物块的拉力，等效得出摩擦力的大小。因此测静摩力的操作要点是物体要静止，缓慢地、准静态地增大拉力，才能出现最大静摩力的时刻；至于滑动摩擦力的测量，则操作的要求是保持物体的相对运动是匀速的，这就是人们千方百计地设计各种方法，以使在测量中使物体运动平稳。我们采用直流稳压电源和直流电机，大比例减速后匀速拉动物体移动。
在用“朗威牌DIS 实验室”系统中的力学传感器测量摩擦力观察图象后发现，
滑动摩擦力的大小与压力大小成正比例的实验验证结果
十分符合预期。
实验条件为二个木材（刨平、直纹）间的滑动摩擦，下面木板水平放置。实验图如图一。木块质量为200g ，后分别加上质量为200g 、400g 的砝码，则实验物体的总质量分别是：200g 、400g 、600g 。当初始拉力为0的时，有明显的“最大静摩擦力”存在的证据，如附图2中红、粉、棕三条线；当未移动时线略有拉力，拉线绷直，“最大静摩擦力”明显变小，见浅蓝、灰、蓝三条线；当未移动时线上拉力达1/2滑动摩擦力以上时，这时线的再伸长量十分有限，“最大静摩擦力”与滑动摩擦力就相差无几了。
图2
在接触表面、放置状态、压力大小这三个条件不变的状态下，从图2中看到，滑动的一瞬间的F max 的大小却不相同，这在物理学定义的严格要求是一个矛盾的现象。我们开始研究最大静摩擦力与哪些因素有关。
实验方案一
将位移传感器和力传感器进行同步测量。其中图3是拉线刚拉直时的拉力/位移对比图，起始拉力为0.2N ，从位移图样可以读出，在
1.48~1.64s之间，滑块的位置从62.7cm 移动到63.9cm
，在这期间，
拉力最大示数为2.4N ，平均滑动摩擦力为1.3N 。
图3
图4是拉力接近滑动摩擦力时的拉力/位移对比图，起始拉力为0.9N ，从位移图样可以读出，在整个过程中，滑块的位置移动小于0.2cm ，在这期间，拉力最大示数为1.5N ，平均滑动摩擦力也近1.3N 。
图4
由这个实验有理由相信，“最大力静摩擦力”是由于之前实验条件所限，测量时未能分清物体在发生滑动一瞬间出现的加速度。如上图实验方式，连接传感器与木块之间的拉线有微小伸长，在拉动的一瞬间有一个随下面木板的运动的瞬间过程；当线的拉力达到一定大小后，木块减速直到停止运动，这时线的拉力就是F f +m a ，而m a 就是导致出现所谓“最大静摩擦力”现象出现的原因，随着起始拉力的增加，木块微小运动的范围减小，自然就出现了“最大静摩擦力”与滑动摩擦力差距变小的现象。
为了验证这个猜想，对又进行了如下实验设计，用不同的速度分别拉动下面的木板或传感器，使两者之间出现从静摩擦到滑动摩擦的过程，观察“最大静摩擦力”大小是否有变化。
实验方案二，拉线均从松驰状态开始，以不同的起始相对速度测量“最大静摩擦力”的变化规律。实验装置见图五。
实验开始前状态照片
实验过程结束后状态照片
图五
从图六通道1位移传感器可以读出，从2~2.6s内的位移是0.018m ，木块移动速度为0.03m/s，没有出现最大静摩擦力现象！平均摩擦力示数为1.5N 。
从图七通道1位移传感器可以读出，从1.4~1.7s内的位移是0.029m ，木块移动速度为0.1m/s，开始出现最大静摩擦力现象！在3~6s内平均摩擦力示数为1.5N 。在图七位移图上4.4~4.6s之间有一个位置变化，同样在力传感器上也有一个新峰值。
图七
实验方案三，改成将力传感器固定到轨道小车上，拉动力传感器，重新进行实验方案二。得到的结果十分类似。
实验方案四，用表面粗糙的木条和木块进行实验方案二，有明显的最大静摩擦力现象，但实验后的表面有新出现的木屑，应属于结构破坏所需的力量变化。我们可以推测，橡胶类柔软表面也可能有这种现象。
从汽车工程学得到的经验，汽车的刹车防抱死系统（ABS ）工作时，能显著缩短同等情况下的刹车距离，为此仔细观察汽车的刹车时在地面上的痕迹，发现柏油路面上的刹车印中的柏油有明显的热融现象；在用摩托车在水泥和柏油路面上进行高速刹车实验后发现，摩擦部位温度在100℃以上，是否因温度变化而导致刹车距离的变化呢。今后将继续进行实验。
我们进行了简单的推算：一辆总质量2×103千克的轻型汽车，以15m/s的速度在平直路面上行驶，急刹车车轮与地面摩擦的能量有
2.25×105J 。车轮橡胶与路面的柏油、水泥等都不是热的良导体，在刹车的2、3秒内没有把这样大的热量传递走的可能性，车轮“抱死”后在摩擦部位产生高温是有可能的。在赛车比赛过程中和动作影片中也能看到车辆刹车轮胎摩擦冒出“青烟”，可以判断，在大力制动过程中，汽车轮胎在“抱死”时接触地面部分会产生高温！这种高温使轮胎体强度变小，使制动距离变大。刹车防抱死系统（ABS ）工作时，不断改变接触部位，使车轮的每一部分都不产生过度的高温，保持车轮的强度，总体减少了了制动距离，并保证在制动过程中的运动可操纵性，是有效的高科技手段！
2006年12月