物理學習指南/正壓力和摩擦力

正壓力

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），作用在物體上的所有力的合力必須等於零。對於坐在椅子上的人來說，可以推斷存在一個正壓力來平衡將坐在椅子上的人拉下來的重力。然而，應該注意的是，只有部分正壓力才能像坐在椅子上的人那樣將其他力抵消為零。在物理學中，正作為力的修飾詞意味著這種力作用在接觸的兩個物體之間的接觸點處，垂直於接觸面。想象一個人靠在垂直的牆上。由於這個人沒有絆倒或跌倒，他/她一定處於平衡狀態。因此，他/她的體重沿水平方向的分量被相等數量的力平衡或抵消（相反方向）——這個力是作用在牆上的正壓力。因此，在斜坡上，正壓力不會像在水平面上那樣向上指向，而是指向垂直於斜坡表面的方向。

正壓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。沒有簡單的方法可以計算正壓力，除了首先假設作用在與表面接觸的物體上的正壓力（方向垂直於表面）。如果物體沒有加速度（對於勻速圓周運動，物體有加速度），那麼正壓力的大小可以透過某種方式求解。在大多數情況下，正壓力的大小可以與給定問題中的其他未知數一起求解。

有時，問題不需要了解正壓力。在這種情況下，可以使用其他形式化（例如拉格朗日待定係數法）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，就會產生對運動的阻力。這種力稱為摩擦力。摩擦力是人們無法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壓力。

摩擦力的產生是由於物體表面附近分子的吸引力。如果兩塊鋼板被做得非常平整、拋光和清潔，並在真空中接觸，它們就會粘在一起。看起來好像鋼板只是一塊。鍵的形成與普通鋼板一樣。這被稱為冷焊。這是摩擦力的主要原因。

上面的公式是一個經驗公式——一般來說，摩擦係數不是常數。然而，對於多種接觸表面，有一個很好的特徵值。這種摩擦力被稱為庫侖摩擦。靜摩擦和動摩擦有單獨的係數。這是因為一旦物體被推動，一旦施加足夠的力，它就會突然抖動並開始移動。

此外，摩擦係數根據兩種接觸物質、溫度和兩種物質的光滑程度而有很大差異。例如，玻璃在玻璃上的摩擦係數非常高。當你擁有類似的材料時，在大多數情況下你沒有庫侖摩擦。

對於靜摩擦力，摩擦力實際上與所施加的力成正比地增加，使物體保持靜止。但是，一旦力超過最大摩擦力，物體就會開始運動。最大摩擦力按如下方式計算

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

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

一旦它開始運動，摩擦力就遵循

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

動摩擦力等於動摩擦係數乘以正壓力。如前所述，它始終與運動方向相反。

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

正壓力 (N):作用在物體上的垂直於其所依靠的表面的力，用於解釋物體缺乏運動。單位：牛頓 (N) 摩擦力 (Ff):作用在運動物體上的與運動方向相反的力，這是由於所有表面的固有粗糙度造成的。單位：牛頓 (N) 摩擦係數 (μ): 決定摩擦力的係數。該係數根據接觸表面而有很大差異。無論是靜摩擦係數還是動摩擦係數都沒有單位。

需要注意的是，在現實生活中，我們經常要處理粘性摩擦和湍流摩擦 - 它們出現在物體在物質中移動時。

粘性摩擦與速度成正比，發生在近似低速時。湍流摩擦與 $V^{2}$ 成正比，發生在更高速度時。