【摩天輪--功與機械】
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 摩天輪幾乎成了遊樂場的地標,
 看到這個彩色巨輪,就會莫名其妙的高興起來,因為它代表了夢想與歡樂。
 當你坐上摩天輪其中一個車廂,由地面緩緩地上升,終至最高點,
 可以俯視整個遊樂場,甚至整個都市時,
 是否想過,在上升的過程中,你的位能增加了,
 這是誰給你的?摩天輪是由什麼樣的機械組成的 呢?


摩擦力
 摩擦力是「存在於兩接觸面之間,阻止物體運動」的作用力」,所以如果施力不能「克服」摩擦力,物體就不會移動。如果我們施力去推桌子,但它仍然紋風不動,根據兩力平衡關係的觀念,桌子與地面的摩擦力與桌子所受的推力必定大小相等且方向相反。

 假設拿一塊100公克重的金屬塊放於水平桌面上,把金屬塊連結彈簧秤,對彈簧秤施加水平拉力,慢慢增加手上的施力,彈簧秤上的讀數會緩緩增加,但起初金屬塊並不移動,直到用力達60公克重時,金屬塊才開始移動。金屬塊開始移動前,我們雖然施力了,金屬塊卻不移動,為什麼?
 根據兩力平衡的觀念,施力拉金屬塊,在金屬塊移動以前,必存在一個大小相等,方向相反且作用在同一平面的力,這個力稱為「靜摩擦力」。物體受力而未移動之前的摩擦力,統統屬於靜摩擦力,要移動時必須克服的最大摩擦力,就稱為最大靜摩擦力。

 當我們對金屬塊施加20公克重的水平拉力時,如果金屬塊未動,此時的靜摩擦力的大小就是20公克重;對金屬塊施加水平拉力40公克重時,如果金屬塊仍未動,靜摩擦力大小就是40公克重。如果我們增加施加的水平拉力至60公克重時,金屬塊開始由靜而動,則金屬塊在桌上的最大靜摩擦力即為60公克重。

 假設在實驗的桌面貼上一張光滑的紙,這時可能僅需要50公克重的水平拉力,就可以拉動金屬塊,所以最大靜摩擦力變成50公克重。再把紙換成玻璃,你會發現可能僅要45公克重的水平拉力就可拉動金屬塊。如果我們在桌面貼上砂紙時,即使用60公克重的力可能也無法拉動金屬塊,也許要一直增加到100公克重時才可以拉動金屬塊(請參考動畫一《金屬塊的摩擦力實驗》 )。可見最大靜摩擦力的大小,會隨著接觸面的粗糙程度而改變。接觸面愈粗糙,最大靜摩擦力愈大;接觸面愈光滑,最大靜摩擦力愈小。

 如果改用重量200公克重的金屬塊,在原來桌面上重複以上的實驗時,會發現拉動金屬塊所需最小拉力變成2倍,換句話說,最大靜摩擦力變成了120公克重。可見最大靜摩擦力與物體的重量成正比,嚴格來說,最大靜摩擦力跟物體與接觸面間的垂直作用力(稱為正向力)成正比。在本例中,與水平桌面垂直的作用力恰為金屬塊的重量。




*動畫附解說,觀看時請打開喇叭
本文未完……摘自《3D理化遊樂場II》摘自第11章 摩天輪--功與機械
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