振动对摩擦力的影响

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　　谈到摩擦力，首先给出一个物理实验：桌面上放置一定重量的物块，需要使用10N的力才能推动;如果给桌面提供一定频率的振动，则推动物块的力仅需要8N。类似的还有另一个物理实验：斜面上放置一个物块，因静摩擦力物块保持不动，这时在斜面的一端敲击斜面，则物块会慢慢下滑。原因是什么呢?

　　我们分析，能够使物块保持不动的力是静摩擦力，而影响静摩擦力的因素有两种，正压力和静摩擦系数，给接触面加入振动，物块会随着接触面的振动而振动，振动则存在波谷波峰，两物体的接触正压力则会发生变化。我们想象极端情况，假设物块振动到波峰，那么相当于物块基本要离开接触面，在那一瞬间正压力几乎为零，于是用很小的力就可以推动物块或者物块会因为受到重力而下滑。

　　由此我们知道，振动可以减小摩擦力。联系到《水浒传》中鲁智深倒拔垂杨柳的典故，我想他一定不是垂直拔起，而是左右摇摆树干，给树根部增加振动才能轻易拔出。生活中拧不动的螺丝，可以通过敲击产生振动使螺丝松动;仓储粮食，通过振动仓壁，可以减少颗粒物间的摩擦力，使粮食在重力作用下向下滑动，从而能够使仓库更加瓷实。

　　那么能够减小静摩擦阻力的振动需要多大振幅、多大的频率呢?这方面查找到有关学者做了深入的探讨，文献[1]中给出了答案：频率较小时，固定频率，振幅的增大会使静摩擦力迅速减小，然而，当频率过大时，振幅的改变基本不会影响静摩擦力;固定振幅，随着频率的增大，静摩擦力也会减小，但是在某些特定振幅时，增大频率，静摩擦力会发生先减小到零后增大，这一现象类似于共振，在最佳振动频率时可以促使物体内原子共同振动，使得系统最大静摩擦力几乎消失。

　　由此可见，可利用振动来解决摩擦问题，但有时振动减小摩擦也会有害，例如压气机盖因振动导致静摩擦力减小而发生转动，桥梁连接使用的螺栓也惧怕车辆激励振动导致松动。因此，合理利用振动和预防振动对于生活和工程实际均至关重要。

　　文献：
　　[1] 雷佑铭. Frenkel-Kontorova模型中基底势振动的影响. 物理学报, 2014, 63: 220502

　　来源：漫步力学微信公众号(ID：Walking-mechanics)，作者：侯兰兰 天津大学。