鞋底纹路与地面摩擦力之探讨.docx
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鞋底纹路与地面摩擦力之探讨
鞋底纹路与地面摩擦力之探讨
摘要
利用发泡塑料EVA,切割出不同形状和宽度的纹路,代替鞋底，探讨纹路与地面间最大静摩擦力（以下简称摩擦力）的关系;当EVA塑料垫上面所加的砝码重量在1～8公斤重时，摩擦力和下压重量，大致成正比关系，且各种不同纹路之摩擦力相差不大，但在砝码重量超过8公斤重时，摩擦力增大很多；此时EVA塑料垫底部有较明显的变形。
另外如果塑料垫纹路越复杂（三角形及横直交错纹路）或宽度越小时，摩擦力也越大，所以我们认为越细越复杂的鞋底纹路，摩擦力越大，而且在下压重量越大时更加明显。
1、研究动机
我们知道平常穿的鞋子的鞋底，有不同的纹路，其主要目的是增加鞋底和地面之间的摩擦力，但是各家公司设计的纹路都不相同，到底这些纹路形状和摩擦力之间有什么样的关系呢？
什么样的纹路是最佳设计呢？
这是我们所要探讨的主题﹗
2、研究目的
一、塑料垫和地面之间的最大静摩擦力（以下简称摩擦力）和下压的重量（正向力）是否成正比？
二、有纹路的塑料垫和地面之间的摩擦力是否比没有纹路的还大？
三、塑料垫表面制造哪些形状的纹路可以产生较大的摩擦力？
四、塑料垫表面的纹路宽度是否影响摩擦力？
参、研究设备及器材
EVA发泡塑料地垫厚度1公分、美工刀、直尺、圆规、弹簧秤1公斤重数支、砝码1公斤重数个、棉线。
肆、研究过程或方法
一、切割塑料垫
1、用美工刀将塑料垫切成10公分×10公分之正方形。
2、将塑料垫表面切割出1公分宽之不同形状纹路，纹路间隔0.5公分共六种：
（1）平面
（2）直条纹（3）横条纹（4）波浪纹（5）横直交错条纹（6）三角形条纹（如图一）
图一、各种不同纹路之塑料垫
3、将塑料垫表面切割出不同宽度之不同形状纹路，纹路间隔0.5公分：
（如图二）
图二、各种不同宽度纹路之塑料垫
二、实验：
测量各塑料垫和磨石子地面之间的摩擦力。
1、将塑料垫水平放在磨石子之干净地面上，以棉线绑住弹簧秤和塑料垫，拉动塑料垫记录弹簧秤最大读数，重复三次求平均值。
2、依序增加放在塑料垫上之砝码每次增加一公斤的重量，重复步骤1。
（图三）
3、改变不同纹路之塑料垫重复步骤1、2。
图三、实验操作图
伍、研究结果
表一：
条纹宽度相同时，各种形状纹路的塑料垫和地面之摩擦力
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
（kgw）
平面
580
1121
1743
2295
2787
3289
3812
4395
5036
5973
直条
600
1154
1844
2284
2956
3362
3919
4407
5421
6398
横条
606
1117
1764
2412
3130
3658
3898
4426
5385
6421
波浪
607
1233
1926
2563
3318
3610
4196
4883
5816
6741
横直交错
625
1257
1917
2588
3279
3887
4435
4992
5980
6918
三角形
613
1255
1837
2534
3129
3810
4396
4895
5960
6825
摩
擦
力
︵
gw
︶
砝码重（kgw）
图四、不同形状纹路的塑料垫和地面之间摩擦力关系图
表二、条纹宽度不同时，直条纹塑料垫和地面之摩擦力
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
（kgw）
1.0cm
600
1154
1844
2284
2956
3362
3919
4407
5421
6398
0.7cm
583
1235
1841
2309
3002
3423
3806
4583
5356
6463
0.4cm
621
1236
1980
2456
3398
3975
4234
4611
5912
6935
摩
擦
力
︵
gw
︶
砝码重（kgw）
图五、不同宽度直条纹路的塑料垫和地面之间摩擦力关系图
表三、条纹宽度不同时，横条纹塑料垫和地面之摩擦力
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
（kgw）
1.0cm
606
1117
1764
2412
3130
3658
3898
4426
5385
6421
0.7cm
623
1232
1624
2395
3189
3590
3924
4533
5489
6516
0.4cm
666
1245
1906
2533
3425
3886
4215
4689
5812
6954
摩
擦
力
︵
gw
︶
砝码重（kgw）
图六、不同宽度横条纹路的塑料垫和地面之间摩擦力关系图
表四、条纹宽度不同时，横直交错条纹塑料垫和地面之摩擦力
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
（kgw）
1.0cm
606
1117
1764
2412
3130
3658
3898
4426
5385
6421
0.7cm
623
1232
1624
2395
3053
3590
3924
4533
5489
6516
0.4cm
666
1245
1906
2533
3180
3886
4215
4689
5812
6954
摩
擦
力
︵
gw
︶
砝码重（kgw）
图七、不同宽度横直交错条纹路的塑料垫和地面之间摩擦力关系图
1、由图四可知在砝码重量小于8公斤重时，各种纹路塑料垫和地面之间的摩擦力和下压重量均呈现出正比关系，但在砝码重量大于8公斤重时，摩擦力明显增大。
2、有纹路的塑料垫所产生的摩擦力，都比没有纹路的塑料垫所产生的摩擦力大。
3、砝码重量在8公斤重以下时，不同纹路塑料垫所产生的摩擦力差距不大，但砝码重量大于8公斤重时，波浪形、三角形和横直交错形纹路塑料垫所产生之摩擦力比直条形和横条形纹路塑料垫所产生的摩擦力大。
4、由图五、图六、图七可知纹路宽度越小的塑料垫和地面之间的摩擦力越大，且在砝码重量越大时更明显。
5、砝码重量超过10公斤重时，大部分塑料垫严重扭曲变形。
陆、讨论
1、理论上摩擦力和正向力成正比，但塑料垫是弹性体，当正向力加大时，它会变形或和地面有较紧密之贴合，因此可能改变其接触面性质而影响此正比关系，由实验结果可看出来当正向力小于8公斤重时，此效应并不明显，摩擦力和正向力成正比，但当正向力大于8公斤重时，此效应即显现出来，造成突然增加的摩擦力，而影响其正比关系。
2、不论在塑料垫上加上何种纹路，所产生的摩擦力都比没有纹路的塑料垫大，可见纹路确实会使摩擦力增加。
3、当正向力小于8公斤重时，摩擦力和正向力成正比，这个关系对各种纹路都成立。
此时不同纹路塑料垫所产生的摩擦力差距不大，表示当正向力较小时，不同纹路对摩擦力所产生的效果不大，想要产生较大的摩擦力，必须改变材料种类，才能有较大效果。
4、当正向力大于8公斤重时，摩擦力增大很多，而不同纹路塑料垫所产生的摩擦力差距则相当明显，纹路越复杂的塑料垫，例如波浪形、三角形，横直交错形等，所产生的摩擦力也越大，此时纹路对摩擦力所产生的效果很明显，因此在正向力越大的情况下，纹路的设计就越显得重要，例如汽机车的轮胎，及我们所穿的鞋子的鞋底等。
5、不同纹路宽度的塑料垫，其和地面间的摩擦力也不同；纹路越细的塑料垫（纹路数目越多）摩擦力越大，而正向力越大时，效果越明显。
6、如果只单纯考虑要增加摩擦力，则纹路越细越复杂越好，但实际上，可能仍要配合其他因素来设计，例如轮胎还要考虑排水性、噪音等问题，而鞋底则要考虑行动（或运动）状况的需求。
7、摩擦力和接触面积无关（参考数据三），因此虽然不同纹路的接触面积不同，并不影响摩擦力，因此，在本实验中影响摩擦力的主要因素即为纹路。
8、本实验所使用的EVA发泡塑料，材质较软，当正向力超过10公斤重时，即严重扭曲，因此本实验所探讨的范围只适用在正向力10公斤重以内。
柒、结论
1、在正向力8公斤重以内，塑料垫和磨石子地面间的摩擦力成正比，不论纹路形状为何，此关系都成立。
在正向力8公斤重以上，则无法由本实验判断。
2、在正向力10公斤重以下，所有纹路的塑料垫和地面之间的摩擦力都比没有纹路的塑料垫和地面之间的摩擦力大，即任何形状的纹路都可以增加摩擦力。
3、纹路越复杂的塑料垫和地面之间的摩擦力越大，尤其是正向力越大时，效果越明显。
4、纹路越细的塑料垫和地面之间的摩擦力越大，尤其是正向力越大时，效果越明显。
5、纹路越细时，纹路数目越多，两者之间是否相互对摩擦力产生影响，则无法由本实验得知。
6、本实验只探讨EVA发泡塑料和磨石子地面之间的摩擦力，若能再对不同材质与不同地面之间的摩擦力，或不同纹路数量对摩擦力的影响做进一步探讨，则更完备，这将是今后努力的目标。
捌、参考数据
1、国中自然与生活科技2下第五版康轩文教事业股份有限公司116~119页97年。
2、RamondA.SerwayPhysicsforScientistsandEngineerswithModernPhysics台湾中央图书出版社81~82页74年。
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