一提到摩擦力，很多人的第一直覺是：摩擦力壞得很！盡唱反調(diào)，造成發(fā)熱，損耗。似乎除了起點(diǎn)固定作用之外，摩擦力專門是干壞事的。
這種看法當(dāng)然是有點(diǎn)冤枉摩擦力的。
誠然，動摩擦在大多數(shù)情況下的確如此，所以人們通過潤滑油、氣墊導(dǎo)軌和磁懸浮等各種方式來減小摩擦力。
然而，說到靜摩擦力，它就不一樣了！且聽我慢慢道來。
01
沒有靜摩擦力，你將寸步難行
沒錯，人體的運(yùn)動當(dāng)然是由人體肌肉的力量引起的。
但若沒有腳下的靜摩擦力的作用，肌肉產(chǎn)生的力量無法實(shí)現(xiàn)移動的目的，你只能在原地踏步，就像這樣：
要不，你只能借助一堵墻，然后通過蹬腳把自己發(fā)射出去。
?
或者，你只能像這樣順著坡溜下去了。
只有地面與你的腳底之間有足夠的摩擦力時，你才可以像這樣瀟灑自如地邁出步伐。
每時刻，你那只相對地面不動的腳，正受到地面指向前方的靜摩擦力。對人體來說，它是水平方向唯一的外力的來源，它的沖量造成人體動量變化。
不過，這個靜摩擦力并未做功，因?yàn)槟_踏地期間，腳與地是保持相對靜止的。別忘了，做功的嚴(yán)格定義是：力乘以力的作用點(diǎn)在力的方向上發(fā)生的位移！
那么，問題就來了：既然人走路時速度可以變化，當(dāng)你加速跑時，究竟什么力做功導(dǎo)致了動能的變化？
答案是：人體肌肉產(chǎn)生的力，也就是人體的內(nèi)力。
注意，系統(tǒng)做功的貢獻(xiàn)不僅要考慮外力，內(nèi)力也要貢獻(xiàn)嘛！就像下面這兩個人構(gòu)成的系統(tǒng)，他們原本都不動，后來都動起來了，就是系統(tǒng)內(nèi)力做功導(dǎo)致的。
實(shí)際上，你應(yīng)該知道，完整的動能定理的表述是：系統(tǒng)所受外力和內(nèi)力做功之和等于系統(tǒng)動能的增量！
02
車輪受到的靜摩擦力
與步行一樣，沒有摩擦力，自行車和汽車都無法開動。因?yàn)樗鼈兊膭恿σ彩强快o摩擦力來變現(xiàn)的。沒有摩擦力，車輪轉(zhuǎn)地飛快，車子兀自巋然不動！
因此，你不得不接受這樣一個事實(shí)：所謂車的牽引力，根本上就是靜摩擦力罷了！
下面以自行車為例，來分析一下車輪所受摩擦力的方向是怎樣的。
為了簡單起見，假設(shè)車輪和路面都不發(fā)生形變，所以就不考慮滾動摩擦了。
并且，這里只分析自行車輪做純滾動——也就是不打滑的情況，所以也就沒有滑動摩擦了。
這樣，本文全程都只考慮靜摩擦力了。問題單純一點(diǎn)也好，免得太燒腦。
這里順便講一下，何謂純滾動？
簡單的說，就是車輪質(zhì)心的平動速度的大小Vc和車輪繞其中心轉(zhuǎn)動角速度w之間滿足Vc=wr，其中r為車輪半徑。
據(jù)此條件，車輪作純滾動時，最低點(diǎn)與地面保持相對靜止。
如下圖，向右騎行的自行車——的確在向右，別以為在原地打滑哦！
先來看后輪。
后輪是主動輪，它受到齒輪的力矩的驅(qū)動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。例如上圖中的后輪，它在沿順時針方向轉(zhuǎn)動。
由于地面能提供足夠的摩擦力，后輪與地面接觸的點(diǎn)相對地面靜止，但有向左運(yùn)動的趨勢，所以后輪受到的靜摩擦力向右，與自行車運(yùn)動方向一致，如下圖所示。
看到了吧！靜摩擦力的確就是車子前進(jìn)的動力，車子正是在這個推力的作用下前進(jìn)的。
再來看前輪。
前輪是從動輪，它的摩擦力的方向就不那么好理解了！
有人的解釋是：既然它是被后輪推著往前運(yùn)動的，所以必然相對地面往前運(yùn)動，所以摩擦力向后。
或許他自己是明白的，但這樣解釋，對很多人來說，還是不夠清楚。
有些人會覺得：按他這說法，那不感覺就是滑動摩擦力嗎？
顯然不是滑動摩擦力，但該解釋既然會引起這種疑問，那就說明這種解釋是不到位的！
更多人的疑問是：前輪不也是作順時針轉(zhuǎn)動嘛！所以它的最低點(diǎn)相對地面不也是具有往左運(yùn)動的趨勢嗎？為什么摩擦力卻同樣向左呢？！
是的，它的確也在順時針轉(zhuǎn)，但一個關(guān)鍵點(diǎn)要抓?。哼@個轉(zhuǎn)動并不是其他的力矩導(dǎo)致的，而恰恰是靜摩擦力導(dǎo)致的！
因?yàn)榍拜喸谳S上受到的推力只是把它往前推罷了，這個推力沒有力矩，在這個力的作用下，車輪根本不會轉(zhuǎn)的！
可以想像，若你把前輪抬離地面，它肯定就不轉(zhuǎn)了。而當(dāng)前輪一碰到地面時，摩擦力就把它帶動起來了，它順時針轉(zhuǎn)起來啦！
更直觀的理解，你用手摩擦一個轉(zhuǎn)盤邊緣，它轉(zhuǎn)起來了，此時摩擦力必定與輪子轉(zhuǎn)動方向一致?；蛘咄苿邮滞栖嚂r，它的輪子也是如此，就像下面這樣，兩個輪子上受到的摩擦力都向后。
因此，前輪的轉(zhuǎn)動源于摩擦力的力矩，前輪所受靜摩擦力必然指向后方！如下圖所示。
由此可見，轉(zhuǎn)動的輪子碰地后才能前行，而前行的輪子碰地后就會轉(zhuǎn)動，當(dāng)既有前行又有轉(zhuǎn)動時，才能形成滾動。
這么淺顯的道理，怎么之前沒聽人說起呢？！
你現(xiàn)在明白了，后輪的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致摩擦力，而前輪的摩擦力導(dǎo)致轉(zhuǎn)動！
所以，誰是原因，誰是結(jié)果，一定要抓住這個東西，否則你的分析只能是一團(tuán)亂麻，很容易人云亦云。
當(dāng)然，值得指出的是，上述分析并沒有結(jié)合車輪的其它受力（例如其他阻力等）和運(yùn)動（例如勻速、減速和加速）情況，如果考慮這些因素，情況就復(fù)雜得多了。
03
靜摩擦力與洛倫茲力
如果進(jìn)一步探討人和自行車的動能的來源，你可能會問：摩擦力不做功，那誰做功？
最簡單、但是有點(diǎn)敷衍的回答是：人和自行車構(gòu)成的系統(tǒng)有內(nèi)力作用嘛，正是內(nèi)力做功導(dǎo)致系統(tǒng)獲得能量。
但如果要給一個清楚明白的分析的話，可以有多種不同的方法。
這里給出一個最容易理解的方法，一個中學(xué)生也可以完美吸收的方法。
以后輪為例。
根據(jù)速度的相對性，任意點(diǎn)A相對C的速度，等于A相對B的速度加上B相對C的速度。所以，后輪與地面接觸的點(diǎn)p的速度為
其中
是指p點(diǎn)相對于輪子質(zhì)心的速度，它的方向向后；
是指輪子質(zhì)心的速度，方向向前。
所以靜摩擦力對輪子做功的功率為
可見，摩擦力做功有兩部分，第一項(xiàng)是摩擦力形成的力矩做功的功率，第二項(xiàng)是摩擦力對質(zhì)心做功的功率。由于這兩個速度分別與車輪所受靜摩擦力相反和相同，故其功率分別為負(fù)和正。
當(dāng)輪子不打滑時，P點(diǎn)對地速度為零，所以
摩擦力兩部分做功的功率剛好抵消，因此摩擦力本身的確不做功。
而車輪受到來自齒輪上的轉(zhuǎn)動力矩，它是主動力，做功為正。與摩擦力的力矩做功符號相反，若將二者結(jié)合，則抵消后的剩余值就表現(xiàn)為輪子的轉(zhuǎn)速改變。
這樣一來，總的效果是，靜摩擦力雖然沒做功，但它起到了把轉(zhuǎn)動力矩做功轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)心的平動動能的作用。
至于第1節(jié)中提到的人走路加速過程中做功的問題，同樣可以采用類似的方式來理解，讀者不妨自己探究一下。
其實(shí)，這種情況下，靜摩擦力的作用非常類似于洛倫茲力，我們知道，洛倫茲力不做功，但為什么安培力卻能做功？要知道安培力本質(zhì)上就是洛倫茲力！
原因是，安培力只是一部分洛倫茲力，它做了正功，另一部分洛倫茲力做了負(fù)功。所造成的一個總的效果是，洛倫茲力雖然不做功，但卻起到了一種媒介的作用：將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
所以，車輪上的靜摩擦力與通電導(dǎo)線中的帶電粒子所受的洛倫茲力具有類似的功能：不做功，但是實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換。
我們知道，如果沒有洛倫茲力，無法實(shí)現(xiàn)電能與其他形式的能量之間的轉(zhuǎn)換，也就沒法利用電能了。而根據(jù)前面所講，如果沒有靜摩擦力，我們連路都無法走，自行車也好，汽車也好，輪子只能空轉(zhuǎn)。
有人說：“那就坐飛機(jī)唄”，你也要先登機(jī)吧？除非發(fā)明某種能長距離拋射人體的大炮，否則人類幾乎寸步難行。
所以，從這個角度來講，看起來風(fēng)馬牛不相及的靜摩擦力和洛倫茲力，竟然干了一件同樣的工作。
我們知道，洛倫茲力之所以不做功，是因?yàn)?/span>
所以洛侖茲力總是與速度垂直。
而靜摩擦力也能有類似的情形：轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤上的物體受靜摩擦力的作用，物體隨轉(zhuǎn)盤做圓周運(yùn)動，該靜摩擦力充當(dāng)向心力。靜摩擦力也總是與速度垂直，所以也不做功。
神了，他倆還真的這么像哦？
但是，靜摩擦力有時也可以做功的！
下面這種情形中，皮帶與輪子接觸的部分，靜摩擦力的作用點(diǎn)發(fā)生了位移，所以靜摩擦力做功了。
當(dāng)然，還有像下面這種情形也是靜摩擦力做功的典型案例。
?
由此可見，雖然靜摩擦力與洛倫茲力的確干了一件非常相似的事情，雖然他倆都是源于最基本的電磁相互作用，但二者差別還是很大。洛倫茲力是運(yùn)動電荷之間的作用，是單純的；而摩擦力是大量粒子的集體作用的宏觀表現(xiàn)，是復(fù)雜的。
END
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不代表中科院物理所立場
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原標(biāo)題：你可能沒想到，靜摩擦力竟然與洛倫茲力干了一件同樣的工作！
來源：大學(xué)物理學(xué)
編輯：藏癡
