物理学习指南/正压力和摩擦力

正压力

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），作用在物体上的所有力的合力必须等于零。对于坐在椅子上的人来说，可以推断存在一个正压力来平衡将坐在椅子上的人拉下来的重力。然而，应该注意的是，只有部分正压力才能像坐在椅子上的人那样将其他力抵消为零。在物理学中，正作为力的修饰词意味着这种力作用在接触的两个物体之间的接触点处，垂直于接触面。想象一个人靠在垂直的墙上。由于这个人没有绊倒或跌倒，他/她一定处于平衡状态。因此，他/她的体重沿水平方向的分量被相等数量的力平衡或抵消（相反方向）——这个力是作用在墙上的正压力。因此，在斜坡上，正压力不会像在水平面上那样向上指向，而是指向垂直于斜坡表面的方向。

正压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。没有简单的方法可以计算正压力，除了首先假设作用在与表面接触的物体上的正压力（方向垂直于表面）。如果物体没有加速度（对于匀速圆周运动，物体有加速度），那么正压力的大小可以通过某种方式求解。在大多数情况下，正压力的大小可以与给定问题中的其他未知数一起求解。

有时，问题不需要了解正压力。在这种情况下，可以使用其他形式化（例如拉格朗日待定系数法）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，就会产生对运动的阻力。这种力称为摩擦力。摩擦力是人们无法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压力。

摩擦力的产生是由于物体表面附近分子的吸引力。如果两块钢板被做得非常平整、抛光和清洁，并在真空中接触，它们就会粘在一起。看起来好像钢板只是一块。键的形成与普通钢板一样。这被称为冷焊。这是摩擦力的主要原因。

上面的公式是一个经验公式——一般来说，摩擦系数不是常数。然而，对于多种接触表面，有一个很好的特征值。这种摩擦力被称为库仑摩擦。静摩擦和动摩擦有单独的系数。这是因为一旦物体被推动，一旦施加足够的力，它就会突然抖动并开始移动。

此外，摩擦系数根据两种接触物质、温度和两种物质的光滑程度而有很大差异。例如，玻璃在玻璃上的摩擦系数非常高。当你拥有类似的材料时，在大多数情况下你没有库仑摩擦。

对于静摩擦力，摩擦力实际上与所施加的力成正比地增加，使物体保持静止。但是，一旦力超过最大摩擦力，物体就会开始运动。最大摩擦力按如下方式计算

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

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

一旦它开始运动，摩擦力就遵循

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

动摩擦力等于动摩擦系数乘以正压力。如前所述，它始终与运动方向相反。

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

正压力 (N):作用在物体上的垂直于其所依靠的表面的力，用于解释物体缺乏运动。单位：牛顿 (N) 摩擦力 (Ff):作用在运动物体上的与运动方向相反的力，这是由于所有表面的固有粗糙度造成的。单位：牛顿 (N) 摩擦系数 (μ): 决定摩擦力的系数。该系数根据接触表面而有很大差异。无论是静摩擦系数还是动摩擦系数都没有单位。

需要注意的是，在现实生活中，我们经常要处理粘性摩擦和湍流摩擦 - 它们出现在物体在物质中移动时。

粘性摩擦与速度成正比，发生在近似低速时。湍流摩擦与 $V^{2}$ 成正比，发生在更高速度时。