前行的奧秘
作用力與反作用力施加于同一物體的不同部位,這種情況在現(xiàn)實(shí)生活中并不少見?!皟?nèi)力”的例子有很多,比如肌肉的拉力,還有機(jī)車汽缸內(nèi)的蒸汽壓力等。這種“內(nèi)力”有一個(gè)鮮明的特點(diǎn),那就是在改變物體相互聯(lián)系的各部位間的相互位置的同時(shí),并不會(huì)使物體的各部分產(chǎn)生共同運(yùn)動(dòng)。比如在射擊的時(shí)候,火藥產(chǎn)生的氣體會(huì)作用于一個(gè)方向,將子彈推向前方,但同時(shí)這種氣體產(chǎn)生的壓力又會(huì)作用于相反的方向,使槍體向后運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中,作為內(nèi)力的火藥氣體壓力不可能做到使子彈和槍體都向同一方向運(yùn)動(dòng)。這一結(jié)論難免使人迷惑,既然內(nèi)力不能使整個(gè)物體產(chǎn)生共同運(yùn)動(dòng),那么步行者怎樣走路?火車怎樣行駛?如果將這些原因全部歸結(jié)為摩擦力的作用是不全面的。
不可否認(rèn)的是,人走路和火車行駛都必須有摩擦力的作用,不然,人在極滑的冰上是不能走動(dòng)的,火車在結(jié)冰的鐵軌上也會(huì)“打滑”,車輪在轉(zhuǎn),火車卻還在老地方。我們?cè)凇皯T性定律”一節(jié)中也提到過摩擦力有阻止已有運(yùn)動(dòng)的作用,但它是怎樣使步行的人與火車運(yùn)動(dòng)的呢?
其實(shí),這并不是什么奧秘。兩個(gè)同時(shí)作用于物體的內(nèi)力只能使物體的各部分分離或靠攏,卻不能使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。但如果能有第三個(gè)力將兩個(gè)內(nèi)力中的其中一個(gè)平衡甚至削弱,另一個(gè)內(nèi)力就能毫無妨礙地使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。這個(gè)起到?jīng)Q定性作用的第三個(gè)力就是摩擦力,它將作用于物體的兩個(gè)內(nèi)力中的一個(gè)減弱,使物體受另一個(gè)內(nèi)力的作用而運(yùn)動(dòng)。
圖9 摩擦力F3使行路人能前行
假設(shè)你站在冰面上想向前走,先要向前移動(dòng)右腳,這時(shí),就開始有內(nèi)力在你身體的各部分之間依照作用力等于反作用力的規(guī)律發(fā)揮作用了。這些內(nèi)力不止一個(gè),但最終作用于你雙腳的力大致有兩個(gè),其中一個(gè)力F1負(fù)責(zé)向前推動(dòng)你的右腳,而另一個(gè)同樣大小但方向與之相反的力F2負(fù)責(zé)使你的左腳向后移動(dòng)。要注意,它們只能使你的雙腳一只向前一只向后,卻不能牽制你身體的重心,它仍舊停在原地。如果你左腳下的冰面恰好撒了一層沙子,這個(gè)表面就變粗糙了,作用于左腳的力F2就會(huì)完全或部分地被左腳底受到的摩擦力F3平衡,這時(shí),作用于右腳的力F1就在推動(dòng)右腳前移的同時(shí),成功地把你身體的重心向前推動(dòng)了(見圖9)。同樣的,我們走路時(shí)會(huì)先向前抬起一只腳,這時(shí)腳與地面之間的摩擦就會(huì)減少,作用于未離開地面的那只腳的摩擦力會(huì)使這只腳避免向后滑動(dòng)。
對(duì)于火車來說其原理就復(fù)雜多了,但簡(jiǎn)單總結(jié)一下也可以理解為:作用于火車主動(dòng)輪的摩擦力與兩個(gè)內(nèi)力之中的一個(gè)相互平衡,另一個(gè)內(nèi)力便成功地推動(dòng)火車向前運(yùn)動(dòng)了。
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