人和机车行进之谜

时间:2023-11-17 11:39:02

日常生活中,我们经常会遇到这样的事情:作用力和反作用力都作用在同一个物体上,只不过是作用在这个物体的不同点上。对于肌肉张力或者机车汽缸中的蒸汽压力,我们常将其称为“内力”。这些力有以下特点:通过物体自身相互连接的部分进行传导,使物体各部分的位置发生改变。但是却不能使物体的各部分进行同一项运动。比如,当我们用步枪射击时,火药燃烧产生的气体会把子弹向前方推出去,与此同时,气体产生的压力还会把步枪向后推,也就是我们常说的“后坐力”。火药产生的气体压力是一个内力,它不可能使子弹和步枪同时向前或者向后运动。

内力不能使物体的各部分进行同一项运动,那么当我们步行的时候,是如何运动的呢?机车又是如何行驶的呢?有的人可能会说,步行依靠的是人的脚与地面之间的摩擦力,而车辆行驶则是因为车轮和钢轨之间有摩擦。步行或者机车运动当然离不开摩擦。但这种说法并没有揭开我们的谜团。我们都有过这样的体验:在冰上行走的时候,很难迈开步子。同样的道理,如果钢轨与机车车轮之间非常光滑,那么机车就会打滑,不管机车的轮子怎么转动,机车都没有办法前进。我们讲的这些情况都是摩擦力阻碍运动,摩擦力到底是如何帮助人们或者机车运动的呢?

其实,这不是什么秘密,也很容易解释。如果两个内力同时作用在物体上,这个物体是不会运动的。这是因为,这两个内力仅仅会使物体的各部分散开或者靠拢。但是,如果这时候还有另外一个力存在,那么这第三个力就会平衡掉其中的一个力。这样的话,会发生什么变化呢?这时,另一个力就会推动物体前进。摩擦就是这样的一个力,正是有了它的存在,使得其中的一个内力被平衡掉了,另一个内力才得以推动物体前进。

如果我们站在一片非常光滑的平面上,比如冰面,想向前运动,就必须用力往前迈动脚步。如图所示,我们知道,在我们身体的各部分之间,可能不止有一个内力在发生作用,但是,根据作用力和反作用力相等的定律,在我们的脚上,这些力总会作用于两个力产生作用。其中,一个力是F1,它使右脚向前运动;另一个力是F2,它跟前面的F1大小相等,但方向相反,使左脚向后运动。这样,我们的两只脚会分开,一只脚在前面,一只脚在后面。但是,我们身体的重心仍然停留在原来的地方。如果我们左脚下的平面比较粗糙,那就不是这样的情形了。这时候,作用在左脚的力F2,正好等于作用在左脚底下的摩擦力F3。也就是说,F2被F3平衡掉了。这样,作用在右脚上的力F1,就会推动右脚向前运动,我们整个身体的重心也会跟着向前移动。实际上,当我们步行的时候,向前伸脚的瞬间,脚就脱离了地面,脚跟地面之间的摩擦就没有了,但是,另一只脚还站在地上,跟地面是有摩擦的。这样,作用在站在地面这只脚上的摩擦力就会阻止另一只脚向后滑动,从而促使我们前行。

人和机车行进之谜

图 F3使走路变得可能。

刚才我们讨论了步行,机车的情况要稍微复杂一些,但是,道理是一样的。在机车的主动轮上,也存在着一个摩擦力,这个摩擦力会平衡掉其中的一个内力。于是,机车的另外一个内力会推动机车向前运动。