為什麼地面對汽車從動輪的切向反作用力的方向與行駛方向相反?

時間 2021-09-10 07:13:48

1樓:井觀驢

1. 摩擦力的定義,是阻礙相對運動的力。因此,這個問題的答案,取決於輪子對於地面是否做了、做了什麼樣的相對運動。

1.1.1 如果輪子在地面滾動,那麼輪子與地面始終沒有做相對運動,做的是接觸和分離的垂直平面運動。

這個事實,要從輪子滾動與地面所畫出的曲線來看。地面的點與輪子接觸點之間,一直是短暫接觸,然後短暫分離,並沒有發生相互之間的位移。輪子在地面上滾動,輪子與地面的接觸和離開所發生的摩擦力,是類似於在平面上粘上一張不幹膠,然後又把它撕起來的方式。

這種輪子與地面的摩擦力,是靜電力。應該說,實際上靜電力的方向是垂直向下的方向,因為它要阻礙的輪子的相對運動,是輪子的接觸面與地面結合部的垂直向上的分離。因此,輪子滾動所產生的摩擦力,既不是向前,也不是向後。

因此,給定初速度的輪子所消耗掉的能量,是在輪子接觸平面從地平面揭起來時,克服垂直向下的靜電力所做的功耗。所以,這個時候,輪子與地面所產生的,是垂直向下的靜電力,這個靜電力消耗了拉動輪子前進的動力所做的功。

1.1.2 如果仔細考慮,我們還會發現輪子與地面的相對運動,也有乙個壓向地面、相對靜止、拔離地面的過程。

那麼在輪子壓向地面時,地面所產生的摩擦力,是垂直向上的;在輪子停止壓向地面時,是不產生摩擦力的;在輪子拔離地面時,地面所產生的摩擦力是垂直向下的。在摩擦力垂直向上和垂直向下的兩個過程中,地面產生的摩擦力消耗了拉動輪子滾動的動能。

1.2 如果輪子在地面上拖動,並沒有滾動,那麼輪子與地面的接觸點一直相對於地面做平移運動。因此,地面這時會對輪子提供乙個與輪子運動方向相反的摩擦力,以阻止輪子的運動。

因此這個時候,地面給輪子的摩擦力是與輪子運動方向相反的。

2. 所謂的切向力,實際上是一種假設。這個假設,僅僅只是為了要符合牛頓的作用力=反作用力的第三定律而人為做出來的。

這個人為做出來的答案,不是事實,但是它可以符合牛頓第三定律的恒等式。由於它把輪子的垂直壓向地面、與地面保持靜止和垂直拔離地面的過程,簡化為輪子在切線方向的向前或者向後的運動,所以,根據牛頓第三定律,就得到乙個人為的推理結果,說這個地面給定的摩擦力是向前或者向後。這符合了牛頓第三定律的描述,但是這並不一定是事實。

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