關(guān)于摩擦力的方向與作用效果的研究

陳小紅

兩個(gè)互相接觸的物體，當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，就會(huì)在接觸面上產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，這種力叫做摩擦力，摩擦是生活中常見的現(xiàn)象，有利有弊，由于摩擦力的存在，使得汽車即使在水平面上運(yùn)動(dòng)，也要不停地燃燒汽油提供動(dòng)力來克服摩擦力；但又是由于摩擦力的存在，使得我們可以通過踩剎車來使汽車停止，通過打方向盤偏轉(zhuǎn)車輪來提供側(cè)向摩擦力使汽車拐彎，否則汽車就不聽使喚.

摩擦力的本質(zhì)是限制相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者可以認(rèn)為是一種約束作用，這一點(diǎn)無論滑動(dòng)摩擦力還是靜摩擦力都是一樣的，其作用效果關(guān)鍵要看外界的影響：外部的推動(dòng)力大，摩擦力不能夠徹底地阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那就是滑動(dòng)摩擦力；外力不太大，摩擦作用能夠阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那就是靜摩擦力.根據(jù)作用效果可知摩擦力的方向與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反，而不一定與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，

一、滑動(dòng)摩擦力的方向與作用效果

1.滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

如圖1，一物體在粗糙水平面上向左做直線運(yùn)動(dòng)，且受到向右的外力F的作用.在這個(gè)問題中，分析滑動(dòng)摩擦力方向時(shí)，很多同學(xué)會(huì)主觀認(rèn)為：物體受到向有的外力F作用.故滑動(dòng)摩擦力方向必定向左，與F反向.這種想法是錯(cuò)誤的，他們對(duì)“與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反”的理解存在誤區(qū).此模型中，滑動(dòng)摩擦力是產(chǎn)生于物體和水平面間的，故以水平面為參考系時(shí)，物體是向左運(yùn)動(dòng)的，受到水平面對(duì)其滑動(dòng)摩擦力方向應(yīng)該向有，與是否有外力F或者外力F的大小、方向均無關(guān).此時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙物體運(yùn)動(dòng)，充當(dāng)阻力的角色.

2.滑動(dòng)摩擦力與運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)

如圖2，傳送帶以速度Vo順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，物塊輕輕放上傳送帶的A端，隨傳送帶運(yùn)動(dòng)到B端（假設(shè)傳送帶足夠長(zhǎng)）.在這個(gè)物理模型中，物塊輕輕放上傳送帶，故初速度為0，傳送帶有向右的速度，物塊相對(duì)于傳送帶向左運(yùn)動(dòng)，根據(jù)滑動(dòng)摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反可知，物塊受到傳送帶對(duì)其向有的滑動(dòng)摩擦力，如圖3所示，在這個(gè)向有的滑動(dòng)摩擦力作用下，物塊開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng).此時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)，充當(dāng)動(dòng)力的角色.

3.滑動(dòng)摩擦力與其它力構(gòu)成平衡力，物體靜止

如圖4，A、B兩物體疊放在水平地面上，用細(xì)繩將A物體拴接于豎直墻上，兩物體的接觸處不光滑，現(xiàn)用水平拉力將物體B拉出，在拉出B物體的過程中，由于A對(duì)B的滑動(dòng)摩擦力是水平向左的，根據(jù)牛頓第三定律，B對(duì)4的滑動(dòng)摩擦力就是水平向右的，此時(shí)4物體受繩子拉力和滑動(dòng)摩擦力而平衡，可見，并非只有運(yùn)動(dòng)的物體才能受滑動(dòng)摩擦力，靜止的物體也可以受滑動(dòng)摩擦力.

總之，分析判斷滑動(dòng)摩擦力的方向要以施力物體為參考系去研究，找出受力物體相當(dāng)于施力物體的運(yùn)動(dòng)方向，抓住“與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反”這個(gè)點(diǎn)人手.

二、靜摩擦力的方向與作用效果

兩物體間出現(xiàn)靜摩擦力作用時(shí)，二者是相對(duì)靜止的，但它們相對(duì)別的參考系可能是運(yùn)動(dòng)的，而且速度相同.有不少初學(xué)者認(rèn)為，靜摩擦力是產(chǎn)生于“靜止”的物體之間，運(yùn)動(dòng)的物體不會(huì)受到靜摩擦力，其實(shí)不然.

如圖5，用手握住玻璃瓶，讓玻璃瓶呈豎直狀態(tài).不管運(yùn)動(dòng)與否，手和玻璃瓶之間都有靜摩擦力作用.當(dāng)手和玻璃瓶向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，玻璃瓶受到的靜摩擦力向上，此時(shí)靜摩擦力是動(dòng)力；當(dāng)手和玻璃瓶向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，玻璃瓶受到的靜摩擦力向上，此時(shí)靜摩擦力是阻力；當(dāng)手和玻璃瓶不運(yùn)動(dòng)或一起在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，玻璃瓶受到的靜摩擦力向上，但在力的方向上位移為零，此時(shí)靜摩擦力既不是動(dòng)力，也不是阻力.可見，靜摩擦力對(duì)物體產(chǎn)生的作用效果，關(guān)鍵是看物體受到的靜摩擦力方向和它運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系.

1.從靜摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反來判斷

所謂相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向就是假定物體間沒有摩擦力時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向.

如圖6，用水平向右的力F推桌面上的木塊A，但是沒有推動(dòng)，分析A與桌面之間靜摩擦力方向.可假設(shè)A與桌面間光滑，力F作用后A一定會(huì)向右運(yùn)動(dòng)，從而說明4有相對(duì)桌面向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，桌面對(duì)A有水平向左的靜摩擦力，根據(jù)牛頓第三定律，A對(duì)桌面有水平向有的靜摩擦力.

2.從物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來判斷靜摩擦力的方向

（1）物體處于平衡狀態(tài)

相對(duì)靜止的兩物體處于平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)平衡條件，物體間的靜摩擦力與除靜摩擦力之外的其它力的合力大小相等、方向相反.

如圖7，質(zhì)量為m的物體放置在傾角為θ的粗糙斜面上，且在沿斜面向上的外力F的作用下始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，試分析，當(dāng)F從0開始逐漸增大的過程中，物體所受靜摩擦力的方向.

此題如果還是按照與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反的思路去考慮的話，可能一下子很難講清楚.嘗試換個(gè)角度，從物體所處的狀態(tài)“靜止”出發(fā)去研究.既然靜止，平衡狀態(tài)下，物體所受的合外力為0.所以，對(duì)物體進(jìn)行受力分析，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，需要分情況討論：

①若0≤F

②若F=mgsinθ，斜面方向上拉力和重力的合力為零，則靜摩擦力f=0.

③若mgsinθ

（2）物體處于非平衡狀態(tài)

對(duì)處于相對(duì)靜止的兩物體其加速度不為零，即處于非平衡態(tài)時(shí)，其靜摩擦力的判定，首先是根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確定加速度方向，然后分析物體受其它外力情況，對(duì)物體運(yùn)用牛頓第二定律來判定靜摩擦力的大小和方向.

綜上所述，摩擦力總阻礙物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但對(duì)于地面上的觀察者來說，摩擦力的方向不一定與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，有可能相同，也有可能垂直或摩擦力作用下物體并不運(yùn)動(dòng)，這將是同學(xué)們?cè)诤竺鎸W(xué)習(xí)能量問題時(shí)要討論的摩擦力對(duì)物體可能做負(fù)功、做正功和不做功的三種情況.