生活中,利用和克服摩擦力的例子比比皆是。
例如,我們穿的運動鞋的鞋底,為了防滑,就做成了凸凹不平的形狀,以增加與地麵的摩擦力。防滑地磚、自行車和汽車的外胎,都是采取了利用摩擦力防止打滑的措施。所有交通工具的刹車係統,都是利用摩擦力的性質來通過不斷減速達到停止運動的目的。
但也有很多時候摩擦力是有害的,這時就要千方百計地減少它的影響。例如,所有輪式旋轉的輪與軸之間,都安裝有軸承,就是為了將車輪與軸之間的滑動摩擦轉變為滾動摩擦,從而降低軸與輪子之間的摩擦力,使車子跑起來更輕鬆。為了進一步降低摩擦力,人們還會在軸承中添加一些潤滑油,使滾動摩擦力變得更小。這可以說是生活和生產中常見的現象。
有害的摩擦力如果不采取一定的措施加以防範,就會帶來危害。仍然以輪子的運動為例,如果車輪與軸的摩擦不加以防範,隨著運動時間的延長,摩擦力會磨損軸而改變軸的尺寸,而使摩擦力進一步增加,摩擦部位也會產生高熱量,嚴重時會使軸的承重能力急劇下降而發生斷裂。公路上有時發生載重汽車的輪胎爆胎或起火,多數也是因為輪胎與地麵摩擦時間過長而產生高熱量引起的。
還可以舉出很多利用摩擦力的例子。例如,走路時穿鞋底帶花紋的鞋,在傳送皮帶上塗上皮帶蠟,雪天在路麵鋪灰渣等,都是為了增大摩擦力。而給機器上安裝帶珠子的滾動軸承,並塗抺些潤滑油;在地上拉重物時,在物體下麵放上圓木棍等,都是為了減少摩擦力。
不隻是在日常生活中,在軍事上也有利用摩擦力的例子。例如,有人提出研製一種所謂“超潤滑材料”,這種材料用在摩擦磨損部位,可以大大減少摩擦的危害。如果一旦將它用到軍事上,把這種超潤滑材料撒到敵方的公路上、鐵路的鐵軌上和飛機起飛的跑道上,使對方的戰車、運兵車、火車無法運行,飛機不能起飛,軍用物資無法運送,就能以這種非殺傷的方式取得戰爭的勝利。這不是科學幻想,這種超潤滑材料無論在理論上還是在實踐中都已經存在了。
例如,納米潤滑材料就屬於一種超潤滑材料。當普通材料加工到納米尺寸時,材料就會具有納米特性,具有納米特性的材料才叫納米材料。在潤滑產品中加入了一定量的納米材料,可以製成納米潤滑材料。
用於潤滑的納米材料一般具有的納米特性有清洗特性、分散特性、高吸附特性、高滲透特性、大表麵積特性、抗摩擦特性、抗擠壓特性等。不同的納米材料具有的納米特性不同,同一種納米材料,納米特性也隨著納米尺寸的不同而各有側重,顆粒、納米纖維、納米薄膜等不同納米形態的材料具有不同的摩擦學性能,而以軟金屬、氧化物、稀土化合物、聚合物和硫化物納米顆粒作為潤滑添加劑的潤滑性能極為突出。
1.3.5 地球所受到的力
在了解了關於地球和力的一些知識以後,我們不禁會問,既然運動是力作用的一種狀態,那麼地球受到了哪些力的作用呢?它會因為摩擦力而停下來嗎?
幸好,宇宙空間是處在真空狀態的。地球帶著自己的大氣層一起在真空中運行,沒有“物質”與之產生摩擦,因此,我們可以很放心地說,地球不會停下來。
但是,這不等於說地球沒有受到各種力的影響。並且這裏所說的各種力還不隻是指萬有引力。
科學家仍然發現了一些跡象,表明地球實際上不像我們原來所想的那樣永遠按恒定的速度勻速自轉和公轉。
細心的科學家通過一些間接的證據,發現地球的自轉數和公轉速度並不是完全固定的。這是怎麼回事呢?
在海洋中有一種珊瑚蟲,它的生長過程和樹木的年輪相似。珊瑚蟲每天有一個生長層,夏日的生長層寬,冬日的生長層窄。古生物學家通過對珊瑚蟲體壁的研究,識別出現代珊瑚蟲體壁有365層,正好是一年的天數。但是,距現在3.6萬年前的珊瑚蟲化石的年輪則為480層,也就是說,3.6萬年前的一年是480天。按此進行推算,13億年前,一年為507天。這說明地球在環繞太陽的公轉過程中,其自轉的速度正在變慢。
令人困惑的是,科學家同時也發現了相反的證據。
這要從一種叫作“鸚鵡螺”的軟體動物說起。鸚鵡螺在古生代幾乎遍布全球,但現在基本絕跡了,隻是在南太平洋的深海裏還存在著6種鸚鵡螺。在這種動物的外殼上,有許多細小的生長線,每隔1晝夜出現1條,滿30條就有1層膜包裹起來形成1個氣室。每個氣室內的生長線數正好是現在的1個月天數。也就是說,這種動物有很好的日曆同步性,與前麵所說的珊瑚蟲有異曲同工之妙。古生物學家又對不同時代地層中的鸚鵡螺化石進行分析,發現3000萬年前,每個氣室內有26條生長線。7000萬年前為22條;1.8億年前為18條;3.1億年前為15條;到4.2億年前就隻有9條了。因而,有些科學家認為,地球隨著年齡的增加,其自轉速度正在加快。
但是,發現這個規律的科學家當時的解讀完全不同。
1996年,《中國剪報》上轉載了一篇文章,講述了鸚鵡螺化石的故事:“最近,美國兩位地理學家根據對鸚鵡螺化石的研究,提出了一個極為大膽的見解,月亮在離我們遠去,它將越來越暗。這兩位科學家觀察了現存的幾種鸚鵡螺,發現貝殼上的波狀螺紋具有樹木一樣的性能。螺紋分許多隔,雖寬窄不同,但每隔上的細小波狀生長線在30條左右,與現代1個朔望日(中國農曆的1個月)的天數完全相同。觀察發現鸚鵡螺的波狀生長線每天長1條,每月長1隔,這種特殊生長現象使兩位地理學家得到極大的啟發。他們觀察了古鸚鵡螺化石,驚奇地發現,古鸚鵡螺的每隔生長線數隨著化石年代的上溯而逐漸減少,而相同地質年代的卻是固定不變的。研究顯示,新生代漸新世的螺殼上,生長線是26條;中生代白堊紀是22條;中生代侏羅紀是18條;古生代石炭紀是15條;古生代奧陶紀是9條。由此推斷,在距今42000多萬年前的古生代奧陶紀時,月亮繞地球1周隻有9天。地理學家又根據萬有引力定律等物理原理,計算了那時月亮和地球之間的距離,得到的結果是,4億多年前,距離僅為現在的43%。科學家對近3000年來有記錄的月食現象進行了計算研究,結果與上述推理完全吻合,證明月亮正在(離開地球)遠去。”
由於海洋受月球引力影響而產生的潮汐,可能對鸚鵡螺的生長也有影響,因此,鸚鵡螺化石中的生長線與月球有關比較可信,而不是與地球的自轉有關。這樣,說地球的自轉變快了,也就沒有了根據。而說地球以前自轉比現在快,則是很有可能的。
那麼,是哪些力的影響使地球的運動速度變慢的呢?地球自己有3個因素會影響自轉,使自轉的速度變慢。
第一,地球大氣層與地球不可能完全保持剛性同步轉動,導致大氣層與地殼有相對運動,即大氣層作為流體與剛性球體之間的轉速會有所滯後,這將會對球體的轉速產生微弱影響。
第二,地球表麵積約70%為海洋所覆蓋,而海水也是流體,且受到月球影響而每天都有潮汐運動。不幸的是,其運動方向剛好與地球自轉的方向相反,這樣,一個球體在向一個方向旋轉時,表麵約有70%的部分在向相反的方向運動,這個球體的轉速當然會有所減慢。
第三,隨著歲月的流逝,地球在老化中,不是山脈在風化、變矮,就是大氣變暖帶來的冰川融化,也會使地球的直徑有所縮小,質量有所減少,使地球圍繞太陽旋轉的半徑增大,周期延長,也就意味著公轉的速度變慢。
如果通過測量能得到地球轉速的準確數據,那麼所有的猜測就找到了依據。
1.3.6 地球轉速與時間的關係
提到地球轉速,一定要說到時間,因為地球轉速是確定時間的基本參照物。以自轉1圈為1天,以公轉1圈為1年,由此細分出小時、分鍾和秒等。
我們所說的地球轉速指的是角速度,並且以單位時間的轉數來表示,這樣就可以通過測量1轉的時間來比較轉速的變化。
鍾表的發明,使人們可以準確地記錄時間。而石英鍾的發明,使人們能更準確地測量和記錄時間。但是這些時鍾用來研究天文學中的記時,還是顯得不夠精確,現在已經用原子鍾來替代格林威治標準時間,以適應信息化時代對時間計量的新要求。
現代銫原子鍾(最普通的類型)可實現的長期精度高於每100萬年誤差1秒。氫原子鍾的短期(1周)精度更高,大約是銫原子鍾精度的10倍。因此,與通過天文學技術進行的時間計量相比,原子鍾將這種計量的精度提高了約100萬倍。
通過原子鍾記時觀測日地的相對運動,發現在1年內地球自轉存在著時快時慢的周期性變化:春季自轉變慢,秋季加快。
我們知道地球是以24小時1轉為1天的時間的,但精確地測量下來,地球自轉周期是23小時56分4秒。由於地球自轉速度一直在減慢,1998年12月31日最後1分鍾增加了1個閏秒,這是自1972年原子鍾指定為國際計時係統以來增加的第22個閏秒,前一次加秒發生在1997年6月30日最後1分鍾,大約每8個月到兩年半便要增加1個閏秒,26年來地球已不知不覺地慢了22秒,平均每年增加0.85個閏秒。閏秒雖然對老百姓的日常生活影響不是十分明顯,但它對以精密時間為尺度進行科學研究、實驗和生產的用戶卻關係重大。