物理學習指南/正向力和摩擦力

正向力

為什麼我們坐在椅子上時能保持穩定？根據牛頓第一定律，如果一個物體處於平動平衡狀態（速度恆定），那麼作用在該物體上的所有力的向量和必須為零。對於坐在椅子上的人來說，可以推測存在一個**正向力**來平衡將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將其他力抵消為零，就像坐在椅子上的人的情況一樣。在物理學中，**正向**作為**力**的修飾語意味著該力作用於兩個物體接觸點的表面，並且垂直於該表面。想象一個人靠在垂直的牆壁上。由於這個人沒有跌倒或摔倒，他/她一定處於平衡狀態。因此，他/她的重量沿水平方向的分量被相同數量的力平衡或抵消（相反方向）——這個力就是牆壁上的*正向力*。因此，在斜坡上，正向力不會像在水平面上那樣向上指向，而是垂直於斜坡表面指向。

正向力可以由四種基本力中的任何一種提供，但通常由電磁力提供，因為在微觀層面上，正是電子的排斥使物質表面之間能夠相互作用。沒有簡單的方法來計算正向力，除非首先假設在與表面接觸的物體上存在一個正向力（垂直於表面方向）。如果物體沒有加速（對於勻速圓周運動的情況，物體正在加速），那麼某種程度上，正向力的量值是可以求解的。在大多數情況下，正向力的量值可以與給定問題中的其他未知量一起求解。

有時，問題不需要了解正向力。在這種情況下，可以使用其他形式（例如拉格朗日未定係數法）來最終*解決*物理問題。

摩擦力

當兩個表面之間存在相對運動時，就會出現阻礙運動的力。這個力叫做摩擦力。摩擦力是人們難以接受牛頓第一運動定律的原因，即物體傾向於保持其運動狀態。摩擦力作用於原始力的反方向。**摩擦力**等於**摩擦係數**乘以**正向力**。

為了使物體運動，作用在物體上的前進力或推力必須大於物體接觸表面的最大摩擦力。如果推力的大小沒有超過最大摩擦力或運動的極限值，則物體將不會運動。

摩擦力是由物體表面附近分子之間的吸引力引起的。如果將兩塊鋼板製成非常平坦、拋光、清潔，並在真空中使其接觸，它們就會粘在一起。看起來就像一塊鋼。鍵的形成與普通鋼塊中的鍵形成相同。這叫做冷焊。這是摩擦力的主要原因。

上述方程是一個經驗方程——一般來說，摩擦係數不是常數。但是，對於各種各樣的接觸表面，存在一個很好的特徵值。這種摩擦力叫做庫侖摩擦力。對於靜摩擦力，靜摩擦力分別存在一個係數和一個動摩擦力系數。這是因為一旦物體被推開，一旦施加足夠的力，它就會突然猛烈地移動並開始運動。

此外，摩擦係數在很大程度上取決於兩種物質之間的接觸、溫度和兩種物質的光滑度。例如，玻璃在玻璃上的摩擦係數非常高。當兩種物質相似時，在大多數情況下你不會遇到庫侖摩擦力。

對於**靜摩擦力**，摩擦力實際上會隨著施加力的比例而增加，從而保持物體靜止。但是，一旦力超過最大摩擦力，物體就會開始移動。最大摩擦力的計算如下

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

**靜摩擦力**小於或等於**靜摩擦係數**乘以**正向力**。一旦摩擦力等於靜摩擦係數乘以正向力，物體就會脫離並開始運動。

一旦它開始運動，摩擦力就會服從以下規律

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

**動摩擦力**等於**動摩擦係數**乘以**正向力**。如前所述，這總是與運動方向相反。

變數

符號	單位	定義
${\vec {F}}_{f}$	$\mathrm {N} \$	摩擦力
$\mu \$	無	摩擦係數

術語定義

**正向力 (N):** 物體垂直於其所處表面所受的力，用於說明物體沒有運動。單位：牛頓 (N) **摩擦力 (Ff):** 由於所有表面固有的粗糙度，作用在運動物體上的與其運動方向相反的力。單位：牛頓 (N) **摩擦係數 (μ):** 決定摩擦力的係數。它會根據接觸面而有很大差異。靜摩擦係數或動摩擦係數沒有單位。

需要注意的是，在現實生活中，我們經常需要處理粘滯摩擦和湍流摩擦——它們出現在你將物體穿過物質移動時。

粘性摩擦力與速度成正比，在較低速度下發生。湍流摩擦力與 $V^{2}$ 成正比，在較高速度下發生。