鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)易拔出成因淺析

　　使用過(guò)鉆頭的人都會(huì)有這樣的體會(huì)，在用鉆頭鉆木頭時(shí)，當(dāng)鉆頭鉆到木頭里后，如果停鉆，要拔出鉆頭就比較困難，但如果在鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候去拔它，就能較容易地拔出鉆頭來(lái)。同樣是從木頭中拔出鉆頭，但在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下其難易程度卻不同，這是什么原因造成的呢？筆者曾在《高中物理同步測(cè)控優(yōu)化設(shè)計(jì)教師用書》[1]一書的第一章（力）結(jié)尾部分的“閱讀與思考”一文中看到過(guò)對(duì)這種現(xiàn)象的解釋，文中把這種現(xiàn)象解釋為摩擦規(guī)律作用的結(jié)果，具體解釋為：“在滑動(dòng)摩擦中，當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)另一個(gè)物體滑動(dòng)的時(shí)候，在與滑動(dòng)方向相垂直的方向上摩擦力十分小，所以當(dāng)鉆頭在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在水平方向上有滑動(dòng)摩擦，因此在豎直方向上的摩擦力就很小，這樣，只要輕輕用力，鉆頭就拔出來(lái)了”。筆者認(rèn)為，這種解釋有點(diǎn)模糊，這種現(xiàn)象不應(yīng)歸結(jié)為摩擦規(guī)律的作用，應(yīng)是物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受外力、滑動(dòng)摩擦力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變之間的關(guān)系問(wèn)題，從外力的改變引起物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而導(dǎo)致物體受到的滑動(dòng)摩擦力的改變這一角度出發(fā)可以解釋清楚這種現(xiàn)象的成因。下面舉例分析并解釋這種現(xiàn)象。

　　設(shè)質(zhì)量為M的物體在水平拉力的作用下，在水平粗糙面上做初速為vo的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則這個(gè)物體受四個(gè)力的作用，即重力G、支持力N、拉力F、滑動(dòng)摩擦力f，如圖1所示，其中重力G、支持力N在垂直水平面的方向上，和物體運(yùn)動(dòng)方向垂直，拉力F、滑動(dòng)摩擦力f在水平方向上，二力的方向和物體運(yùn)動(dòng)方向平行。由于在水平面內(nèi)垂直物體運(yùn)動(dòng)的方向上物體不受外力，因而沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，當(dāng)然也就不產(chǎn)生摩擦力（或者說(shuō)摩擦力為零）。此時(shí)若在水平面內(nèi)垂直物體運(yùn)動(dòng)方向上施以拉力F1，則在水平面內(nèi)物體受到三個(gè)力的作用，即拉力F、拉力F1、滑動(dòng)摩擦力f，這三個(gè)力的合力將不再和物體原運(yùn)動(dòng)方向平行，而是和物體原運(yùn)動(dòng)方向之間有一定的夾角。由物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件判斷可知，物體將隨F1的出現(xiàn)而開始做曲線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將隨合力的變化而發(fā)生改變，此時(shí)物體受到的滑動(dòng)摩擦力和無(wú)F1時(shí)相比較大小雖然不變，仍為f（N、μ未變），但方向卻發(fā)生了改變，按處理曲線運(yùn)動(dòng)的基本思路（分解成不同方向上的直線運(yùn)動(dòng)）來(lái)分析，物體將同時(shí)參與兩個(gè)方向上的直線運(yùn)動(dòng)，即原運(yùn)動(dòng)方向上（vo的方向）的直線運(yùn)動(dòng)和垂直原運(yùn)動(dòng)方向上的直線運(yùn)動(dòng)。在垂直原運(yùn)動(dòng)方向上，由于F1的作用物體相對(duì)于地面有滑動(dòng)，因而會(huì)受到滑動(dòng)摩擦力的作用，但這個(gè)滑動(dòng)摩擦力應(yīng)是物體運(yùn)動(dòng)中受到的滑動(dòng)摩擦力的一個(gè)分力（根據(jù)滑動(dòng)摩擦力的概念及產(chǎn)生條件知，運(yùn)動(dòng)的物體在合運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中只能受一個(gè)滑動(dòng)摩擦力，分運(yùn)動(dòng)方向上的滑動(dòng)摩擦力都是合運(yùn)動(dòng)方向上物體受到的滑動(dòng)摩擦力的分力），畫水平面內(nèi)的受力草圖（如圖2）可以看出，這個(gè)分力就是圖中的fy。根據(jù)合力和分力的關(guān)系應(yīng)有fy＝f?sin，從關(guān)系式可知，在f不變的前提下，fy的大小和（合運(yùn)動(dòng)方向v和原運(yùn)動(dòng)方向vo間的夾角）的大小相關(guān)，如果施加的F1較小，則在F1的方向上產(chǎn)生的加速度較小，因而物體運(yùn)動(dòng)方向的改變就較小，當(dāng)然夾角也就較小，fy就較小，所以這個(gè)方向上的摩擦力就?。幌喾?，如果施加的F1較大，則在F1的方向上產(chǎn)生的加速度就較大，從而物體運(yùn)動(dòng)方向的改變就較大，合運(yùn)動(dòng)和原運(yùn)動(dòng)方向間的夾角也就較大，由fy＝f?sin知這個(gè)方向上的摩擦力就較大。弄清楚運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化后不同方向上摩擦力的變化情況后，解釋關(guān)于鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的拔出問(wèn)題就顯得比較容易了。當(dāng)鉆頭停鉆時(shí)，水平方向未運(yùn)動(dòng)，在垂直方向上要拔出來(lái)，鉆頭受到的滑動(dòng)摩擦力的大小應(yīng)為f＝N?，因N較大，故f也較大，所以難以拔出。當(dāng)鉆頭在水平方向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的方向在水平方向，此時(shí)若在垂直方向施以較小的力（如前面的F1），由前面的分析可知，鉆頭的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)改變，鉆頭受到的滑動(dòng)摩擦力的方向也會(huì)發(fā)生改變，垂直方向上的摩擦力為滑動(dòng)摩擦力的分力（如前面的fy），因施加的外力較小，因而摩擦分力就較小，對(duì)鉆頭的阻礙作用也就較小，所以鉆頭較易拔出。相反，如果想用較大的力猛然（或快速）拔出鉆頭的話，由前面的討論可知，垂直方向上產(chǎn)生的摩擦分力會(huì)較大，即鉆頭受到的阻礙作用會(huì)較大，反而又會(huì)變成不易拔出了。