5正确理解耗散力的功.docx

正确理解耗散力的功耗散力是指对系统或物体作负功，而使之总机械能减少的力.非耗散力指能对系统或物体作正功，而且作功与路径有关的力.耗散力包括滑动摩擦力、滚动摩擦力和阻滞力等，本文以滑动摩擦力为例分析，其他耗散力类似，不再赘述.1 .摩擦力的起源凹凸啮合说，是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦力本质的理论.啮合说认为摩擦是由相互接触的物体表面粗糙不平产生的.两个物体接触挤压时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合.如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相互碰撞，产生断裂、磨损，就形成了对运动的阻碍.粘附说，这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦力本质的理论.最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出.他认为两个表面抛得很光的金属，摩擦力会增大，可以用两个物体的表面充分接触时，它们的分子引力将增大来解释.上世纪以来，随着工业和技术的发展，对摩擦理论的研究进一步深入，到上世纪中期，诞生了新的摩擦粘附论.新的摩擦粘附论认为，两个相互接触的表面，无论做得多么光滑，从原子尺度看，还是粗糙的，有许多微小的凸起，把这样的两个表面放在一起，微凸起的顶部发生接触，微凸起之外的部分接触面间有10。或更大的间隙.这样，接触的微凸起的顶部承受了接触面上的法向压力.如果这个压力很小，微凸起的顶部发生弹性形变；如果法向压力较大，超过某一数值（每个凸起上约千分之几牛顿），超过材料的弹性限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，被压成平顶，这时互相接触的两个物体之间距离变小到分子（原子）引力发生作用的范围，于是，两个紧压着的接触面上产生了原子性黏合.这时，要使两个彼此接触的表面发生相对滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力，来克服分子（原子）间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦.人们通过不断试验和分析计算，发现上述两种理论提出的机理都能产生摩擦，其中粘附理论提的机理比啮合理论更普遍.但在不同的材料上,两种机理的表现有所偏向：金属材料，产生的摩擦以粘附作用为主；而对木材，产生的摩擦以啮合作用为主；实际上，关于摩擦力的本质，目前尚未有定论，仍在深入讨论中.美国著名物理教育家费曼曾经讲过：“滑动摩擦力是一个固体在另一个固体上滑动时产生的，摩擦力的起因十分复杂，从原子情况来看，相互接触的两个表面是不平整的，它们有许多接触点，原子好象粘接在一起，于是，当我们拉开一个正在滑动的物体时，原子啪的一下分开，随及发生振动.过去，把这种摩擦的机理想象得很简单，表面起因只不过布满凹凸不同的形状，摩擦起因于抬高滑动体越过突起部分，但是事实不可能是这样的，因为在这种情况中不会有能量损失，而实际是要消耗动力的.动力消耗的机理是当滑动体撞击突起部分时，突起部分发生形变，接着在两个物体中产生波和原子运动，过了一会儿，产生了热.”因此考虑滑动摩擦力做功产生内能的话，不能把物体看做质点，此时内部粒子的动能发生了变化，有时可以看作刚体（此时忽略物体的形变，即分子势能的变化）.2 .摩擦力的作用效果滑动摩擦力作用在物体上，可以产生多种效果：（1）改变物体的宏观机械运动状态；（2）使物体发生磨损；（3）使物体发生形变（此时分子势能发生变化，不能视为刚体）；（4）摩擦发声；（5）摩擦生热；（6）摩擦起电；（7）在物体的接触面上产生其他物理和化学变化.这些效果都可以同时产生.至于哪种效果的程度有多大，则由互相滑动摩擦的两个物体的物质结构和摩擦面上的物理状态等具体情况决定.物体产生上述各种效果所需的能量都来源于滑动摩擦力做的功.换句话说，滑动摩擦力做功所提供的能量可以转化成各种形式的能量，如平动动能、转动动能、形变能、弹性势能、声能、内能、电能等.滑动摩擦力做功应该是各种粒子做功之和的宏观效应.3 .摩擦力可以等效视为显含时间的力对于相互摩擦的两个物体来说，质点的动能定理成立，但是机械能守恒定律不成立了，否则会造成佯谬，例如一滑块在外力的作用下，沿水平移动了S.设外力F等于滑块摩擦力3则滑块做匀速直线运动，根据动能定理FSYS=O,如果把滑块看做质点，滑块的动能不变，质点动能定理成立.另一方面，由于摩擦力生热，滑块温度升高，内能增加.既然作用于滑块的外力做功与摩擦力做功相互抵消，那么滑块增加的内能从何而来?显然滑块增加的内能来自于摩擦力的功，滑块的机械能不守恒.此时滑块不能看做质点，质点不具有内能.如果此时非要把滑块看做质点,此时滑动摩擦力可以等效视为显含时间的力，因为滑动摩擦力的本质上也是电磁力,电磁力就是显含时间的力，这是一种数学处理手段.在文献1例1中的严格讲两个小滑块不能视为质点，如果近似计算的话，可以把上面质量较小的滑块按照质点看待，下面的大滑块就不能视为质点、刚体了，必须考虑其内部粒子的运动问题.但是当相互摩擦的两个物体质量相差巨大时，如果研究对象仅仅是质量较小的物体的物体的话，较小的物体也可以视为质点，此时产生的热量必须看做被质量较大的物体（质量看做充分大）完全吸收，话句话说按照外场来处理，例如汽车在平直公路上行驶，汽车也可以视为质点,滑动摩擦力看做显含时间的外力，忽略滑动摩擦力对于汽车内能的影响,也可以利用质点动能定理，这只是一种简单化的处理方式.梁昆淼老先生20世纪80年代在四川师范大学曾经指出滑动摩擦力做功与参照系存在不协调之处.例如有人提出这样一个实例个物体在两堵粗糙的墙之间匀速U下滑，滑动摩擦力恰好等于重力，在地面系看来机械能不守恒，但是如果从一个相对于地面匀速U降落的电梯系看来，滑动摩擦力不做功，重力也不做功，机械能守恒.有人认为滑动摩擦力做功必须是相互摩擦的两个物体之间的相对位移，因此在地面系和电梯系机械能都是不守恒的，这个问题可以参考文献23.笔者认为如果按照外场来处理，把小滑块看做质点，此时小滑块受到显含时间的力，在两个参照系机械能都不守恒.如果按照内场来处理，此时是一对滑动摩擦力的功，作用力与反作用力的功之和，具有伽利略变换的不变性，重力的功不具有伽利略变换的不变性，因此对于两个观察者而言滑块的机械能都不守恒.力学相对性原理成立.1946年爱因斯坦在自述中写道：“自然定律应该表述为在连续坐标变换群下协变的方程.这个群替代了狭义相对论中的洛伦兹变换群，后者形成前者的一个子群.”“当然，这一要求自身作为导出物理的基本观念的出发点并不充分.广义相对性原理突出的启发式的意义在于它导致我们去寻求在广义协变形式下尽可能简单的方程组”.于是，他又提出了在广义协变形式下的“简单性”要求.著名相对论学者迈斯勒、索恩和惠勒在他们的名著引力一书中，这样来表述广义相对性原理和简单性要求：“'物理量必需表述为（与坐标无关的）几何量，物理定律必需表述为这些几何量之间的几何关系.这一物理观点，有时称为广义协变性原理'，遍及20世纪物理思维.如果考虑到耗散力不是质量力和体积力，耗散力的功严格讲是对质点组的做功问题，与对单质点的功有区别，必须考虑它们之间的相互作用，通常说的滑动摩擦力的功是一个整体效应，也不能认为是刚体.文献4对于滑动摩擦力做功进行了详尽的分析，本文不再论述.对于转化变换而言，功转变成热是自然方向；热转变成功是非自然方向.“端增加原理”一一自然界里的一切自发过程，总是沿着懒不减小的方向进行的.燔增加原理表明，自然过程中的不平衡态可以自动的趋向平衡态，而平衡态却不能自动的转化为非平衡态，也就是说，不同运动形式的转化在一个方向上存在着限制.例如机械能可以完全转化为热，而热却不可能自动的完全转化为机械能.笔者认为，之所以无法定义耗散力势能，是燃增原理的要求.对于滚动摩擦力、非弹性碰撞中的弹力和流体的阻力等耗散力分析与滑动摩擦力类似不再说明，静摩擦力是保守力，与一般的保守力相同.物理学正是在未知领域探索的科学，物理学丰富的历史为这种思维艺术提供了丰富的范例.物理学家常常需要在缺乏合适概念的情况下思考问题，在不知道逻辑和数学如何发挥作用的情况下找到答案，并且发明适合描述未知世界的新概念和新语言.物理学思维的艺术就在于，我们需要在面对这类困难的情况下找到合适的方法获得答案，甚至在不知道答案为什么是正确的情况下得到正确的答案，然后再考虑如何完善打造出逻辑严密的理论体系.这是辉煌的智力成就，是高超的思维艺术.此外，正是在这种首先获得的少量可靠线索的指引之下，辨析概念和打造理论体系的努力才不会陷于概念的丛林之中而找不到正确的前进方向.这样才可能在还有许多问题没有被透彻理解的情况下就建立起可靠的理论体系，这也正是在物理学历史上多次发生的情况.参考文献：1徐行.关于功的定义.内蒙古大学学报（自然科学版）增刊，1980：69.2叁劲涛.关于摩擦力几个问题的商械.嶂阳师范学院学报，第26卷第11期，2007（11）,147149,154.3叁劲涛,对滑动摩擦力做功问题再探一文的质疑J,物理教师，2007年第2期：27.4崔砚生.在能量转化问题中对滑动摩擦力做功的分析.工科物理（现：物理与工程），1992年第2期：1418.5赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程，高等教育出版社，2004年第二版，113114.