引入

推一个重箱子,为什么用力小时推不动,用力大了又突然动起来?

为什么冰面上摩擦力小,但并不是完全没有?

静摩擦力的大小能不能直接用 算?

摩擦力是最容易被“想当然”处理的力。它的方向、大小、是否做功,都要结合相对运动趋势判断,不能只套公式。

正文

定义

摩擦力是两个相互接触的物体之间,由于相对运动或相对运动趋势而产生的阻碍作用力。

静摩擦力

定义

两物体相互接触、有相对运动趋势但保持相对静止时,接触面间的摩擦力称为静摩擦力。

特点:

  • 大小由平衡条件决定,不是固定值。
  • 方向与相对运动趋势相反。
  • 有一个最大值,称为最大静摩擦力。

静摩擦力的大小范围:

最大值近似满足:

其中 是静摩擦因数, 是正压力(法向支持力)。

关键点:不能用 计算静摩擦力的大小,那只是上限。实际大小要看物体受其他力的情况。

滑动摩擦力

物体相对滑动时,摩擦力大小近似恒定:

其中 是滑动摩擦因数,通常略小于 ,所以“推动”比“维持滑动”更费力。

方向与相对运动方向相反,与物体自身的运动方向不一定相反。例如传送带上的物体,摩擦力可以是驱动力。

静摩擦与滑动摩擦的对比

项目静摩擦力滑动摩擦力
相对运动静止滑动
大小由平衡条件决定,
方向与相对运动趋势相反与相对运动方向相反
是否做功可以不做功,也可以做正功通常做负功

摩擦因数

滑动摩擦因数的范围通常在 之间,但并非绝对:

接触面摩擦因数(约)
钢-钢(有润滑)0.1
木-木0.3–0.5
橡胶-沥青0.7–0.9
聚四氟乙烯-钢0.04

摩擦因数取决于材料、表面粗糙度、温度和湿度,不是材料的固有常数。

摩擦力做功与生热

滑动摩擦力做功会转化为热量:

注意用的是相对位移,不是单个物体的位移。这是“摩擦生热”类问题的关键。

静摩擦力在接触面之间没有相对位移,所以不产生热量。但它仍然可以对单个物体做功:放在加速卡车上的箱子,就是靠静摩擦力获得动能,此时静摩擦力对箱子做正功。能量来自卡车发动机,不是“无中生有”。

情形静摩擦力做功是否生热
箱子随卡车加速对箱子做正功否
推箱子但没推动不做功否
物体随传送带匀速运动不做功(无相对位移)否

常见误区

错误说法问题
“摩擦力总是阻碍运动”可以是驱动力,如走路、传送带
“静摩擦力等于 ”那只是最大值
“摩擦因数越大越粗糙”还受材料、润滑等影响
“摩擦力一定做负功”静摩擦可不做功或做正功
“静摩擦力不产生热量,所以不做功”不产热 ≠ 不做功

引出

为什么最大静摩擦力略大于滑动摩擦力?

人走路时,地面摩擦力对人做正功,能量从哪来?

滚动摩擦为什么比滑动摩擦小得多?