摩擦熱能

摩擦熱能

水平方向上,木板只受木塊對它水平向左的滑動摩擦力Ff1的作用,此力做負功。 等式(4)表明滑動摩擦力Ff1做負功導致木板的機械能損失。 等式(5)表明滑動摩擦力Ff2做正功使木板的機械能增加。

摩擦熱能摩擦熱能
無論是靜摩擦力,還是滑動摩擦力,都可以做正功,也可以做負功,還可以不做功。但是,並不是所有摩擦力的功都能將機械能轉化為內能而產生熱量。

一、靜摩擦力的功只起轉移機械能的作用,不會產生熱量。

靜摩擦力產生在兩個相對靜止但有相對運動趨勢的物體之間。顯然這樣的兩個物體必然具有相同的速度、加速度、位移等。

如:將一質量為m的木塊放在置於光滑水平地面質量為M的木板上,對木塊施一水平向右的恆力,使木塊與木板一起向右加速運動。

在運動過程中,木塊與木板間的摩擦力屬於靜摩擦力。

隔離木塊進行受力分析,豎直方向受重力和彈力,為一對平衡力,二力皆不做功;水平方向受恆力F和木板對木塊的靜摩擦力Ff1,恆力F做正功,靜摩擦力Ff1做負功。設某時刻木塊的位移為S,末速度為V。由動能定理得:

1、(F-Ff1)S=1/2·mV^2

隔離木板進行受力分析,豎直方向受重力和彈力(地面的支持力和木塊施加的壓力)而平衡,此三力不做功;水平方向受木塊對木板的靜摩擦力Ff2作用(與Ff1是一對作用力和反作用力,大小相等),此力對木板做正功。木板與木塊具有相同的位移及末速度。由動能定理得:

2、Ff2S=1/2·MV^2

整體受力分析,豎直方向重力和彈力而平衡,且都不做功;水平方向只受恆力F的作用。由動能定理得:

3、FS=1/2·(m+M)V^2

由於Ff1=Ff2,比較(1)、(2)、(3)三式,不難知道,外力F對系統做的功,使系統獲得機械能1/2·(m1+m2)V^2,靜摩擦力Ff1對木塊做負功使木塊損失的機械能恰好是靜摩擦力Ff2對木板做正功而使木板獲得的機械能。因此,靜摩擦力在這裡只是起到傳遞機械能的作用,並沒有將機械能轉化成內能,系統的機械能沒有損失。

二、滑動摩擦力的功一方面傳遞機械能,同時另一方面將部分機械能轉化為內能,從而產生熱量,導致相互摩擦的物體發熱。

如,一質量為M的長木板在光滑水平面上勻速運動,將一質量為m的木塊無初速地放在長木板右端,木塊與長木板間有摩擦,一段時間後,木塊與木板保持相對靜止。木塊與長木板的運動情況如圖所示。

設這段時間內,木板對地的速度由V0變成V,位移為S1;木塊對地的速度由0變為V,位移為S2;木塊相對木板的位移為△S。

不論是木塊還是木板,豎直方向上受力平衡,且力都不做功。水平方向上,木板只受木塊對它水平向左的滑動摩擦力Ff1的作用,此力做負功。由動能定理得:

4、-Ff1S1=1/2·MV^2-1/2·MV0^2、

等式(4)表明滑動摩擦力Ff1做負功導致木板的機械能損失。

而木塊在水平方向只受木板對它水平向右的滑動摩擦力Ff2的作用,此力做正功。由動能定理得:

5、Ff2S2=1/2·mV^2

等式(5)表明滑動摩擦力Ff2做正功使木板的機械能增加。

由於作用力和反作用力Ff1= Ff2,而S1=S2+△S,比較(4)、(5)兩式的左邊部分,不難看出,滑動摩擦力Ff1對木板做負功使木板損失的機械能並沒有完全轉移給木塊。表明由木塊和木板所構成的系統機械能有損失。

將(4)、(5)兩式相加,可得:

6、-Ff1△S=1/2·(m+M)V^2-1/2·MV0^2

由(6)式可以看出,相互摩擦的兩個物體所構成的系統,其損失的機械能等於滑動摩擦力與兩物體的相對位移的乘積。正是這部分損失的機械能轉化為內能,產生熱量,使物體溫度升高。

因此,滑動摩擦力在改變物體機械能的同時,會產生熱量,其產生熱量的多少可以用滑動摩擦力與相對移位的乘積來獲得。

上述兩點,可以在車輛行駛方面獲得一定的說明。滾動摩擦力本質上是靜摩擦力。車輛前進時的牽引力就來源於主動輪與地面間的靜摩擦力。因此,車輛正常行駛時,車輪是不發熱的。但是,當緊急剎車時,如果剎車力量過大,導致車輪停止轉動,向前滑行,此時車輪與地面間的靜摩擦力變成滑動摩擦力,做功時將機械能轉化為內能,輪胎的溫度急劇上升,使輪胎變軟,甚至部分接近液化,塗在地面上形成黑色胎痕。同時,摩擦力也急劇減小,剎車距離反而增大,於行車安全極其不利。這也是為什麼車輛上要採用防抱死系統(ABS)的原因之一。

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