自然界中的力種類繁多,性質各異,但是,從宏觀的層級上看,可以大致上分為兩種基本類型:接觸力和場力。接觸力是相互接觸的物體在接觸面上產生的力,比如摩擦力和支承力;場力則是通過場的方式傳遞的力,它不需要相互作用的物體有任何接觸,比如萬有引力和電磁力。不過,從本質上看,宏觀上所感受到的接觸力歸根到底起源于場力,它們是相互接觸的物體在接觸面上的原子或分子之間的電磁力的宏觀表現。
結合重力的表達式 (1) 式和地心引力的表達式 (2) 式,就可以得到重力加速度的理論表達式:
當一個物體由于某種原因導致形狀發(fā)生改變時,它內部的原子和分子的相互作用就會產生一種恢復原來狀態(tài)的趨勢,這種抵抗外界的作用,力圖恢復原始形狀的力被稱為彈性力,典型的例子是彈簧因為被拉伸或者被壓縮而產生的力圖恢復原長的力。所謂彈簧的原長指的是,在沒有任何外界影響的自然狀態(tài)下,彈簧原有的長度。
我們都有這樣的經驗,當外力較小時,相互接觸的物體并沒有相對運動,這表明必定有阻礙物體作相對運動的力與外力抗衡,這種阻力被稱為靜摩擦力。在這種狀態(tài)下,相互接觸的物體雖然沒有相對運動,但是卻有相對運動的趨勢。靜摩擦力與外力在接觸面上的切向分量數值相等,方向相反。隨著外力的切向分量不斷增大,靜摩擦力的數值也不斷增大,直到外力達到某個數值時,物體開始做相對運動,這時候,靜摩擦力達到最大值,稱為最大靜摩擦力,它與加載在接觸面上的外力的法向分量成正比:
其中 被稱為靜摩擦系數, 是作用在所研究物體上的正壓力,即外力在接觸面上的法向分量, 則是相對運動趨勢方向上的單位矢量。
當相互接觸的物體開始作相對運動時,摩擦力達到最大靜摩擦力,并隨即驟然而降,這之后,接觸面上產生的摩擦力稱為滑動摩擦力。與最大靜摩擦力相似,滑動摩擦力與加載在接觸面上的外力的法向分量成正比:
靜摩擦系數和滑動摩擦系數與相互接觸的物體的制造材料、接觸表面的粗糙程度和壓力等因素有關。 |
嚴格地說,滑動摩擦力是隨速率而變的。隨著速率不斷增加,滑動摩擦力會緩慢地減小,并在某一個速率處達到最小值,之后,滑動摩擦力轉而隨速率增加。由于在速率較小時,滑動摩擦力隨速率的變化很慢,可以近似地認為它們不隨速率改變,因此,在日常工作的速率范圍內,可以把滑動摩擦力的數值當常數看待。
在雙原子分子的兩個原子之間存在著相互作用力,這個力被稱為分子力,它是原子內部的靜電力的剩余效應。實驗表明,對不同種類的分子而言,這個力并不相同。但是分析顯示,它們滿足同樣的規(guī)律:
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