關于摩擦力的方向與作用效果的研究

陳小紅

兩個互相接觸的物體，當它們發生相對運動或具有相對運動趨勢時，就會在接觸面上產生阻礙相對運動或相對運動趨勢的力，這種力叫做摩擦力，摩擦是生活中常見的現象，有利有弊，由于摩擦力的存在，使得汽車即使在水平面上運動，也要不停地燃燒汽油提供動力來克服摩擦力；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，通過打方向盤偏轉車輪來提供側向摩擦力使汽車拐彎，否則汽車就不聽使喚.

摩擦力的本質是限制相對運動，或者可以認為是一種約束作用，這一點無論滑動摩擦力還是靜摩擦力都是一樣的，其作用效果關鍵要看外界的影響：外部的推動力大，摩擦力不能夠徹底地阻礙相對運動，那就是滑動摩擦力；外力不太大，摩擦作用能夠阻礙相對運動，那就是靜摩擦力.根據作用效果可知摩擦力的方向與物體相對運動方向或相對運動趨勢方向相反，而不一定與物體運動方向相反，

一、滑動摩擦力的方向與作用效果

1.滑動摩擦力與相對運動方向相反，阻礙物體的相對運動

如圖1，一物體在粗糙水平面上向左做直線運動，且受到向右的外力F的作用.在這個問題中，分析滑動摩擦力方向時，很多同學會主觀認為：物體受到向有的外力F作用.故滑動摩擦力方向必定向左，與F反向.這種想法是錯誤的，他們對“與相對運動方向相反”的理解存在誤區.此模型中，滑動摩擦力是產生于物體和水平面間的，故以水平面為參考系時，物體是向左運動的，受到水平面對其滑動摩擦力方向應該向有，與是否有外力F或者外力F的大小、方向均無關.此時，滑動摩擦力的方向與物體的運動方向相反，阻礙物體運動，充當阻力的角色.

2.滑動摩擦力與運動方向相同，推動物體的運動

如圖2，傳送帶以速度Vo順時針轉動，物塊輕輕放上傳送帶的A端，隨傳送帶運動到B端（假設傳送帶足夠長）.在這個物理模型中，物塊輕輕放上傳送帶，故初速度為0，傳送帶有向右的速度，物塊相對于傳送帶向左運動，根據滑動摩擦力的方向與相對運動方向相反可知，物塊受到傳送帶對其向有的滑動摩擦力，如圖3所示，在這個向有的滑動摩擦力作用下，物塊開始做勻加速直線運動.此時，滑動摩擦力的方向與物體的運動方向相同，推動物體運動，充當動力的角色.

3.滑動摩擦力與其它力構成平衡力，物體靜止

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

總之，分析判斷滑動摩擦力的方向要以施力物體為參考系去研究，找出受力物體相當于施力物體的運動方向，抓住“與相對運動方向相反”這個點人手.

二、靜摩擦力的方向與作用效果

兩物體間出現靜摩擦力作用時，二者是相對靜止的，但它們相對別的參考系可能是運動的，而且速度相同.有不少初學者認為，靜摩擦力是產生于“靜止”的物體之間，運動的物體不會受到靜摩擦力，其實不然.

如圖5，用手握住玻璃瓶，讓玻璃瓶呈豎直狀態.不管運動與否，手和玻璃瓶之間都有靜摩擦力作用.當手和玻璃瓶向上運動時，玻璃瓶受到的靜摩擦力向上，此時靜摩擦力是動力；當手和玻璃瓶向下運動時，玻璃瓶受到的靜摩擦力向上，此時靜摩擦力是阻力；當手和玻璃瓶不運動或一起在水平面內運動時，玻璃瓶受到的靜摩擦力向上，但在力的方向上位移為零，此時靜摩擦力既不是動力，也不是阻力.可見，靜摩擦力對物體產生的作用效果，關鍵是看物體受到的靜摩擦力方向和它運動方向的關系.

1.從靜摩擦力的方向與相對運動趨勢方向相反來判斷

所謂相對運動趨勢的方向就是假定物體間沒有摩擦力時相對運動的方向.

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，分析A與桌面之間靜摩擦力方向.可假設A與桌面間光滑，力F作用后A一定會向右運動，從而說明4有相對桌面向右運動的趨勢，桌面對A有水平向左的靜摩擦力，根據牛頓第三定律，A對桌面有水平向有的靜摩擦力.

2.從物體的運動狀態來判斷靜摩擦力的方向

（1）物體處于平衡狀態

相對靜止的兩物體處于平衡狀態時，根據平衡條件，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狀態，試分析，當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運動趨勢方向相反的思路去考慮的話，可能一下子很難講清楚.嘗試換個角度，從物體所處的狀態“靜止”出發去研究.既然靜止，平衡狀態下，物體所受的合外力為0.所以，對物體進行受力分析，我們會發現，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

對處于相對靜止的兩物體其加速度不為零，即處于非平衡態時，其靜摩擦力的判定，首先是根據運動狀態，確定加速度方向，然后分析物體受其它外力情況，對物體運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運動或相對運動趨勢，但對于地面上的觀察者來說，摩擦力的方向不一定與物體運動方向相反，有可能相同，也有可能垂直或摩擦力作用下物體并不運動，這將是同學們在后面學習能量問題時要討論的摩擦力對物體可能做負功、做正功和不做功的三種情況.