为什么摩擦会生热?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-05-04 10:53:31

本文探讨了摩擦生热的原因,带电物体吸引轻小物体的原理,以及细胞膜静息电位的形成机制。

摩擦生热这个大家都不陌生,要知道人类文明的一个很重要的开端就是发现了火,所以它意义重大。但是为什么摩擦会生热呢?首先赞扬,很好的问题。事实上摩擦是一个非常复杂的过程,人们目前尚不能很好的描述这个过程。让我们来先看看摩擦力是怎么产生的,当我们让两个物体接触,并施加垂直于接触面的力,两个物体有一个很近的接触。当我们想要让他们相对运动的时候,这个接触将会阻碍这个相对运动。

我们都知道基本相互作用只有四种(引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用),其中强相互作用和弱相互作用在这里都不起作用而引力则远远远远远小于电磁相互作用,所以阻碍他们互相融入对方的力就是这个电磁相互作用。两个物体接触以后,他们表面的原子互相之间存在一个相互作用,当发生相对运动的时候,这些原子会在变化的相互作用下振动,而我们熟知的内能指的也就是原子的振动。

所以在这个过程中,外力做的功转化成了原子的振动的能量也就是物体的内能。

生活中我们常会发现带电物体能够吸附轻小物体,这个过程利用了静电吸附的原理。显然的,如果轻小物体带有与带电物体相反的电荷,根据库伦定理我们知道他们之间具有一定的吸引作用。但如果轻小物体不带电荷,他们之间的吸引力又是如何产生的呢?由于轻小物体组成分子可能是极性分子和非极性分子,现对两种情况分别进行分析。

对于极性分子,分子正负电荷中心不重合,在带电物体的电场作用下,库伦作用同性相斥、异性相吸,极性分子呈现一定的取向,与带电物体电荷相反的一端远离带电物体,吸引力大于排斥力,表现为吸引作用。对于非极性分子,同性电荷受到电场的排作用,异性电荷受到电场的吸作用,其正负电荷中心在电场的作用下分离,诱导出极性,根据和极性分子一样的分析,我们可以得到总的吸引相互作用。

细胞膜具有选择透过性,有些物质要跨过细胞膜需要膜上转运蛋白等的协助,并且还需要提供能量。从物理学角度看,物质浓度分布不均匀则会发生扩散,即从高浓度流向低浓度。细胞膜两侧的离子呈不均衡分布,膜内的钾离子高于膜外,膜内的钠离子和氯离子低于膜外,即胞内为高钾、低钠、低氯的环境。在静息时膜对于钾离子通透性很强,对钠离子较弱,而对氯离子几乎没有通透性。

因此钾离子会流向浓度低的膜外,随着钾离子逐渐外流会使得膜外钾离子增多,进而带的正电荷增多。一边是高浓度往低浓度的扩散,一边是逐渐增强的电场阻碍扩散,当两者平衡时,钾离子不再往膜外扩散,此时稳定着的电位差便是膜电位。

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