物理学习指南/正向力和摩擦力

正向力

为什么我们坐在椅子上时能保持稳定？根据牛顿第一定律，如果一个物体处于平动平衡状态（速度恒定），那么作用在该物体上的所有力的矢量和必须为零。对于坐在椅子上的人来说，可以推测存在一个**正向力**来平衡将坐在椅子上的人向下拉的**重力**。然而，需要注意的是，只有部分正向力才能将其他力抵消为零，就像坐在椅子上的人的情况一样。在物理学中，**正向**作为**力**的修饰语意味着该力作用于两个物体接触点的表面，并且垂直于该表面。想象一个人靠在垂直的墙壁上。由于这个人没有跌倒或摔倒，他/她一定处于平衡状态。因此，他/她的重量沿水平方向的分量被相同数量的力平衡或抵消（相反方向）——这个力就是墙壁上的*正向力*。因此，在斜坡上，正向力不会像在水平面上那样向上指向，而是垂直于斜坡表面指向。

正向力可以由四种基本力中的任何一种提供，但通常由电磁力提供，因为在微观层面上，正是电子的排斥使物质表面之间能够相互作用。没有简单的方法来计算正向力，除非首先假设在与表面接触的物体上存在一个正向力（垂直于表面方向）。如果物体没有加速（对于匀速圆周运动的情况，物体正在加速），那么某种程度上，正向力的量值是可以求解的。在大多数情况下，正向力的量值可以与给定问题中的其他未知量一起求解。

有时，问题不需要了解正向力。在这种情况下，可以使用其他形式（例如拉格朗日未定系数法）来最终*解决*物理问题。

摩擦力

当两个表面之间存在相对运动时，就会出现阻碍运动的力。这个力叫做摩擦力。摩擦力是人们难以接受牛顿第一运动定律的原因，即物体倾向于保持其运动状态。摩擦力作用于原始力的反方向。**摩擦力**等于**摩擦系数**乘以**正向力**。

为了使物体运动，作用在物体上的前进力或推力必须大于物体接触表面的最大摩擦力。如果推力的大小没有超过最大摩擦力或运动的极限值，则物体将不会运动。

摩擦力是由物体表面附近分子之间的吸引力引起的。如果将两块钢板制成非常平坦、抛光、清洁，并在真空中使其接触，它们就会粘在一起。看起来就像一块钢。键的形成与普通钢块中的键形成相同。这叫做冷焊。这是摩擦力的主要原因。

上述方程是一个经验方程——一般来说，摩擦系数不是常数。但是，对于各种各样的接触表面，存在一个很好的特征值。这种摩擦力叫做库仑摩擦力。对于静摩擦力，静摩擦力分别存在一个系数和一个动摩擦力系数。这是因为一旦物体被推开，一旦施加足够的力，它就会突然猛烈地移动并开始运动。

此外，摩擦系数在很大程度上取决于两种物质之间的接触、温度和两种物质的光滑度。例如，玻璃在玻璃上的摩擦系数非常高。当两种物质相似时，在大多数情况下你不会遇到库仑摩擦力。

对于**静摩擦力**，摩擦力实际上会随着施加力的比例而增加，从而保持物体静止。但是，一旦力超过最大摩擦力，物体就会开始移动。最大摩擦力的计算如下

$\left|{\vec {F}}_{f}\right|\leq \mu _{s}\left|{\vec {N}}\right|$

**静摩擦力**小于或等于**静摩擦系数**乘以**正向力**。一旦摩擦力等于静摩擦系数乘以正向力，物体就会脱离并开始运动。

一旦它开始运动，摩擦力就会服从以下规律

$\left|{\vec {F}}_{f}\right|=\mu _{k}\left|{\vec {N}}\right|$

**动摩擦力**等于**动摩擦系数**乘以**正向力**。如前所述，这总是与运动方向相反。

变量

符号	单位	定义
${\vec {F}}_{f}$	$\mathrm {N} \$	摩擦力
$\mu \$	无	摩擦系数

术语定义

**正向力 (N):** 物体垂直于其所处表面所受的力，用于说明物体没有运动。单位：牛顿 (N) **摩擦力 (Ff):** 由于所有表面固有的粗糙度，作用在运动物体上的与其运动方向相反的力。单位：牛顿 (N) **摩擦系数 (μ):** 决定摩擦力的系数。它会根据接触面而有很大差异。静摩擦系数或动摩擦系数没有单位。

需要注意的是，在现实生活中，我们经常需要处理粘滞摩擦和湍流摩擦——它们出现在你将物体穿过物质移动时。

粘性摩擦力与速度成正比，在较低速度下发生。湍流摩擦力与 $V^{2}$ 成正比，在较高速度下发生。