摩擦力方向的问题分析与研究

摩擦力方向的问题分析与研究

孙光学

 湖北省襄阳市保康县熊绎中学  湖北  襄阳 441600  

[摘要] 关于摩擦力的方向问题，一直是中学生学习中的一个难点。如何突破这个难点，也一直是困扰中学物理老师的一个难题。本文作者分情况对滑动摩擦力、静摩擦力和滚动摩擦力的方向问题进行了系统、全面的分析和论证。特别是对滚动摩擦力的方向问题，以自行车的前后轮为例进行了深刻的剖析和延展。本文中所举的例子主要是理论分析，也可以用实验进行演示和验证。

[关键词] 摩擦力；滑动摩擦力方向；静摩擦力方向；滚动摩擦力方向。

摩擦力是发生在相互接触、存在压力、表面粗糙、发生相对运动（或者有相对运动的趋势）的两个物体之间的阻碍物体相对运动（或者趋势）的力。摩擦力分为滑动摩擦力、静摩擦力和滚动摩擦力三种。下面我就这三种摩擦力的方向问题分别进行阐明。

一、滑动摩擦力的方向

滑动摩擦力产生在两个相对滑动的物体之间。下面针对不同情况举例进行说明。1、水平地面上一物体A在水平拉力F作用下向右滑动，它相对于地面向右运动，所以它受到的摩擦力方向水平向左。2、水平地面上正在向右运动的物体撤去水平拉力作用时，由于惯性会继续向右滑行，受到的摩擦力方向向左。以上两种情况由于相对滑动的方向很明确，所以摩擦力的方向的判断比较容易。3、将物体B放在水平向右运行的传送带上先加速再匀速最后因传送带停止运行使物体减速运动到静止。第一阶段：向右加速，由于物体向右的速度小于传送带的速度，以传送带为参照物，物体B向左滑动，所以滑动摩擦力方向向右。这也印证了“力是改变物体运动状态的原因”这种说法，此时摩擦力是物体加速向右的动力。第二阶段：当物体B的速度达到传送带的速度时，物体B和传送带一起向右作匀速直线运动。此时由于物体B和传送带速度相同，物体B相对于传送带保持相对静止，物体B与传送带之间没有相对运动，所以它们之间就没有摩擦力。这也印证了“运动不需要力维持”的道理。第三阶段：切断电源，传送带停止运行，物体B由于惯性向右减速滑行到最后静止。这个过程传送带速度为零，物体B速度不为零，物体B的速度大于传送带的速度，物体相对于传送带向右运动，所以物体B受到的摩擦力方向向左。正是摩擦力使物体由运动变为静止。同样印证了“力是改变物体运动状态的原因”的道理。综上所述，判断滑动摩擦力的方向的关键是抓住“相对滑动”不管是运动的物体相对于静止的物体，还是运动的物体相对于运动的物体，都可以根据二者的相对速度来判断被研究的物体相对于另一物体的相对运动方向。摩擦力阻碍物体相对运动，所以方向与相对运动方向相反。

二、静摩擦力的方向

静摩擦力发生在两个相对静止，但有相对运动趋势的物体之间。所以判断物体“运动趋势”是关键。下面我分情况进行说明。1、用水平向右的大小为F的力拉物体但未拉动。物体虽然相对于地面静止，但有相右运动的趋势，所以受到的静摩擦力方向相左。也可以用反证法判断静摩擦力是否存在、方向如何。即假设静摩擦力不存在，那么物体在水平方向上只受拉力F的作用，运动状态就要发生改变，不可能保持静止，所以摩擦力一定存在。再假设摩擦力的方向不是水平向左，那么摩擦力就不能与拉力构成平衡力，物体也不可能保持静止。由此证明摩擦力存在且方向向左。2、两物体相对静止以相同的速度向右运动。前面讲到的传送带上一物体和传送带一起向右做匀速直线运动。用反证法可以证明摩擦力是否存在。即假设摩擦力存在，不管方向是向左还是向右，均不能找到与之平衡的力（忽略空气阻力）。物体就不会作匀速直线运动，所以假设不成立，即摩擦力是不存在的。

三，滚到摩擦力的方向

在讨论滚动摩擦力之前，首先必须分清楚滚动和转动。轮子绕中心轴旋转但轴不动即为转动；轮子绕中心轴旋转的同时中心轴也以一定的速度发生平动即为滚动。我们以自行车为例来讨论一下摩擦力的方向问题。首先我们将自行车的后支架支起来，让后轮悬空，用力踩脚踏板。我们会发现自行车后轮高速转动，自行车并不能前进。所以踩脚踏板的力的直接作用效果是驱动后轮转动，而不是驱动自行车前进。当放下支架让后轮轻触较光滑的泥泞地面时，自行车后轮也只有转动而没有滚动，这就是我们经常所说的“打滑”（汽车在泥地里也会造成“打滑”而不能前行）。“打滑”时车轮与地面的接触点相对于对面向后滑动，所以摩擦力为滑动摩擦力，摩擦力方向向前。由于摩擦力太小，不能驱动自行车，所以“打滑”。如果将车轮放在足够粗糙的地面上就不再打滑了，此时车轮与地面的接触点相对于地面有向后运动的趋势，所以摩擦力方向向前。此摩擦力推动整个车轮向前平动。进而推动整个车身向前平动。所以后轮（驱动轮）受到的摩擦力才是驱动自行车前进的直接动力。这种情况属于“转动”带动“平动”。而前轮的情况就不一样了。因为前轮受到的推力作用在轴上，直接作用效果是推动前轮中心轴向前平动。如果前轮离地，那么前轮只会随整个自行车向前平动，不会转动。如果把正在前进的自行车捏紧前闸，前轮就会在地面上向前滑动。受到的摩擦力属于滑动摩擦力，方向向后。只有松开前闸，且让前轮接触地面，前轮才会转动。驱动前轮转动的动力就是向后的摩擦力。因为前轮与地面的接触点有向前运动的趋势。此种情况属于“平动”带动“转动”。如果正在前行的自行车，撤去脚的蹬力，让自行车在水平地面上自由向前滑行，摩擦力方向又会怎样呢？以前经常听老师讲：“此时前后轮相同，摩擦力方向向后”。我却不这样认为，试想，如果摩擦力方向向后，其作用效果会使车轮加速转动。如果车轮加速转动，水平地面上自由滑行的自行车岂不越来越快？但事实谁都清楚，自由滑行的自行车会越来越慢，直到最后停下来。所以我认为此时前后轮受到的摩擦力方向均向前。正是向前的摩擦力阻碍车轮转动，车轮才会越转越慢，车速才会越来越慢，直到最后停下来。此类情况属于转动减速带动平动减速。属于“转动”带动“平动”。

当然，我们讨论摩擦力方向的问题，都是在忽略空气阻力的前提下。如果考虑空气阻力那就另当别论了。

综上所述，不管是滑动摩擦力、静摩擦力、还是滚动摩擦力的方向问题。都要抓住相对运动（或趋势）的“相对”二字。不能简单的去看物体运动的方向。而是要看接触点（线、面）的相对运动方向。抓住了这个关键。紧扣摩擦力的定义去分析，问题就迎刃而解了。

参考文献

[1]罗章镜.高中物理摩擦力教学的侧重点[J].西藏教育.2011,(9).23-24.