2014年環(huán)保工程師普通力學(xué)知識(shí)點(diǎn)17

　　坡面滑行物體的摩擦角

　　課本上有這樣一道題目：在斜面上端A處有一個(gè)物體自靜止起滑下，滑至水平面C點(diǎn)停止，若物體與斜面、平面間的摩擦因數(shù)均為μ，A與C之間水平距離為S，物體開(kāi)始下滑的高度AD=h，試證滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=h/S。

　　這個(gè)題目的證明并不難，設(shè)斜面AB與水平面夾角為α，根據(jù)功能關(guān)系，物體克服摩擦力所做的功等于物體機(jī)械能的減少。即

　　mgh=F1?AB+F2?BC

　　F1、F2為摩擦力，分別等于μmgcosα和μmg，代入后可得

　　mgh=μmgcosα?AB+μmg?BC

　　∵ABcosα=DB，上式可以寫作

　　h=μ(DB+BC) 　　式中DB+BC=S，

　　∴μ=h/S。

　　從這個(gè)問(wèn)題引伸出去，我們連接直線Ac，令A(yù)C與DC間夾角為θ，則得到了一個(gè)新的摩擦角θ(圖2)，這時(shí)同樣有

　　μ=tanθ

　　這個(gè)結(jié)果與假定物體從A勻速沿AC滑動(dòng)得到的結(jié)果是等效的。于是我們?cè)O(shè)想，如果坡面是由多段折線組成，物體從A點(diǎn)出發(fā)最終停止在E點(diǎn)，那么是否也只要將AE聯(lián)結(jié)起來(lái)，量出它與水平面的夾角θ，就能得到摩擦因數(shù)呢?

　　可以看出，ABcosα=S1,CDcosβ=S3，DEcosδ=S4,根據(jù)功能關(guān)系，

　　mg(h1-h2)=F1AB+F2BC+F3CD+F4DE

　　同樣能得到

　　μ=△h/S=tanθ。

　　因此在變速情況下也存在一種摩擦角，只要量出起點(diǎn)至終點(diǎn)連線與水平面之間夾角就能測(cè)定滑動(dòng)摩擦因數(shù)。當(dāng)然實(shí)際上用這個(gè)方法測(cè)定摩擦因數(shù)也有誤差，因?yàn)樵谛逼碌霓D(zhuǎn)角處往往有沖擊，有能量的損失，我們?cè)谟?jì)算時(shí)略去了這個(gè)因素。

　　有趣的是這種變速情況下的摩擦角有它的實(shí)用價(jià)值。例如對(duì)高山滑雪運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，知道了滑雪板與雪之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，也就是知道了摩擦角。運(yùn)動(dòng)員只要用一個(gè)量角器作觀察儀器向山下觀察，沿摩擦角θ所觀察到的那一點(diǎn)就是他能不加任何動(dòng)力而到達(dá)的終點(diǎn)。如果在直線MN的中間被一個(gè)高峰阻擋，那么他只能停止在峰的左側(cè)P點(diǎn)，不可能超越這個(gè)山峰抵達(dá)N點(diǎn)。說(shuō)到這里必然有人會(huì)問(wèn)，如果P點(diǎn)斜坡的坡度很大，其傾角超過(guò)了最大靜摩擦角。也就是說(shuō)滑雪運(yùn)動(dòng)員在這一點(diǎn)停不住，那么他將滑至何處呢?我們可以在P點(diǎn)再畫摩擦角θ，即直線Pq，他將停在q點(diǎn)。以此類推，如果q點(diǎn)還不能停住，則再向下畫θ角。從這里可以看出，最終停止的點(diǎn)除了受滑動(dòng)摩擦角制約之外，還受到該處最大靜摩擦角的制約。

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