拿一个塑料杯,装满大米,把一根筷子插进米中间,手捏筷子往上提——整杯米跟着筷子一起离开桌面。这个实验在小学科学课和电视上做过很多次,看起来像魔术,背后是摩擦力在起作用。

关键在装米这一步。杯子倒满米之后,不能直接插筷子,得用手把米往下按、墩杯子,让米粒之间的空气挤出去。墩得越实,米粒越紧密,效果越好。这时候把筷子顺着杯壁和米粒之间垂直插到底,米粒被筷子挤开一点点,周围的米粒因为已经被压实,没办法自由滑动,就反过来给筷子一个侧向压力。
物理上,摩擦力等于正压力乘以摩擦系数。筷子表面是光滑的漆面,摩擦系数不高,但只要米粒给筷子的侧向压力够大,总摩擦力就能超过杯子和米的总重量。一杯大米加杯子大概重300到500克,换算成力是3到5牛顿。一根筷子插在压实的米里,米粒对筷子侧面的正压力分布在筷子大约15厘米的长度上,平均压强虽然不大,但乘上接触面积和摩擦系数,总摩擦力够把杯子提起来。
实验里有几个细节会影响成败。杯子要用窄口的,瓶口越窄,米粒被挤住之后越不容易松动。用宽口碗,米粒在筷子周围还有活动空间,侧向压力就上不来。米要干米,湿米会粘在一起,但湿米粒之间没有足够的挤压缝隙,效果反而不如干米。筷子要插到底,不能只插进去一半,接触长度越长,摩擦总面积越大。

有人在做这个实验的时候往米里加少量水。米粒吸水之后会膨胀,体积增大,杯子里的空间就那么大,膨胀的米粒反过来挤压筷子和杯壁,正压力进一步增大。加水的版本成功率比纯干米高,但如果水加多了,米粒泡成糊状,反而滑。
这个实验在初中物理教材里出现过,用来说明”摩擦力大小和正压力有关”。老师在课堂上做这个演示的时候,会让学生对比:不墩杯子直接插筷子提不起来,墩过之后就能提起来。变量就是米粒之间的松紧程度,也就是侧向压力的大小。
从力学上拆解,提筷子的时候有三组摩擦力同时起作用。筷子和米粒之间的摩擦力向上,拉住米粒;米粒和杯壁之间的摩擦力向上,拉住杯子;米粒和米粒之间的摩擦力把整杯米连成一个整体。只要这三组摩擦力的总和大于杯子加米的重力,整个系统就被提起来了。

实际操作的时候,很多人第一次做失败。失败原因通常两个:米没墩实,米粒之间空隙太大,筷子插进去的时候米粒自由滑动,侧向压力传不到筷子表面;筷子插歪了,斜着插进去,接触面积小,而且斜着提的时候力的方向不对。解决办法是墩杯子墩到手指按不动米为止,筷子垂直插到底再提。