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Sandbox Physics

M012 · 牛顿接触力学

斜面与摩擦

速度归零后,滑块会停住还是反向? 看静摩擦够不够。速度归零那一刻,算出平衡重力沿斜面分量和外力所需的摩擦力:没超过最大静摩擦,滑块就停住;超过了,它就朝合力方向重新滑动。

拖动粗糙斜面上的滑块,调整静、动摩擦系数和沿斜面的外力。比较停住、反向与持续滑动,再用静止释放相图和耗散曲线解释结果。

交互模型斜面与摩擦
记录时刻0.372 s0.372\,\mathrm{s}
斜面向下坐标1.6 m1.6\,\mathrm{m}
相对斜面速度1.1 m s−11.1\,\mathrm{m\,s^{-1}}
沿斜面加速度2.95 m s−22.95\,\mathrm{m\,s^{-2}}
滑块所受支持力8.32 N8.32\,\mathrm{N}
接触状态下滑\text{下滑}
向下为正的摩擦力−2.25 N-2.25\,\mathrm{N}
静止可行余量−1.45 N-1.45\,\mathrm{N}
实际动摩擦系数0.270.27
滑块动能0.602 J0.602\,\mathrm{J}
重力势能变化−1.06 J-1.06\,\mathrm{J}
外加力做功0 J0\,\mathrm{J}
摩擦力做功−0.458 J-0.458\,\mathrm{J}
机械能变化−0.458 J-0.458\,\mathrm{J}
记录结束时刻1.33 s1.33\,\mathrm{s}
能量守恒残差5.55×10−17 J5.55\times10^{-17}\,\mathrm{J}

物理教程

停下的瞬间,要重新判断摩擦

背景滑块向下走,摩擦力向上。若把它向上推出,摩擦力便向下;等速度归零,还要看静摩擦能不能把它留住。

为什么值得理解比较“停住不动”和“停下后反向”两种过程。OpenStax《大学物理》6.2 节用静摩擦的不等式和动摩擦定律解释它们的区别。

先抓重点

核心问题
滑块停下以后,会留在原地,还是转身下滑?
一句话直觉
速度归零时,静摩擦才有机会接手。需要的摩擦力没有超过上限,滑块就能停住。

核心数学模型

重力分量与沿斜面外力

N=mgcos⁡θ,D=mgsin⁡θ+FN=mg\cos\theta,\qquad D=mg\sin\theta+F

坐标和外力都以沿斜面向下为正。外力只沿斜面作用,不改变法向载荷。

静止需要多少摩擦力

fs=−D,∣D∣≤μsNf_s=-D,\qquad |D|\le\mu_sN

静摩擦按需要提供力,直到达到上限。余量是上限减去需求大小;理想模型把恰好达到上限也计入可静止条件。

滑动时的摩擦

ms¨=D−μkNsgn⁡(s˙)0≤μk≤μs\begin{aligned}m\ddot s&=D-\mu_kN\operatorname{sgn}(\dot s)\\0&\le\mu_k\le\mu_s\end{aligned}

两个系数滑块分别控制静摩擦上限和动摩擦。如果把静摩擦系数降到比动摩擦系数还小,动摩擦系数会同步降到新上限,保持模型假设。速度归零时重新检查静止条件。

两次事件之间的运动

s=sa+va(t−ta)+12a(t−ta)2v=va+a(t−ta)\begin{aligned}s&=s_a+v_a(t-t_a)+\tfrac12a(t-t_a)^2\\v&=v_a+a(t-t_a)\end{aligned}

每一段内的受力恒定。先遇到轨道端点还是后来的零速时刻,决定下一步如何处理。端点显示的是碰撞、脱离或倾覆发生前的状态。

耗散按总路程累积

ΔK+ΔU=F(s−s0)−μkN∫0t∣s˙∣ dt\Delta K+\Delta U=F(s-s_0)-\mu_kN\int_0^t|\dot s|\,\mathrm dt

滑块反向前后,摩擦都消耗机械能,所以耗散按总路程累积。库仑模型不求解温度、形变或系数随速度的变化。

常见难点

静摩擦只提供所需的力

容易误解静摩擦力总等于最大值。

正确理解选“静摩擦保持”。实际摩擦只平衡沿斜面的驱动,剩余容量显示为正的静止余量。

停下以后还可能反向

容易误解速度归零,就会一直停在那里。

正确理解比较两个停止预设的零速时刻。能否继续静止,由所需摩擦力是否超过上限决定。

绿色区域回答的是静止释放

容易误解设置进入绿色区域,正在滑动的物体就必须立刻停下。

正确理解相图预测零初速释放的结果。已有初速度的滑块,即使设置落在绿色区域内,也可以继续滑动。

动手实验

  1. 01

    先看默认下滑

    观察滑块、橙色摩擦箭头和增长的耗散曲线。

    你会看到: 滑块向下,摩擦力向上。
  2. 02

    让静摩擦接手

    选“静摩擦保持”。

    你会看到: 摩擦力平衡沿斜面的驱动,滑块留在原地。
  3. 03

    比较两种停止

    依次选“停止并静止”和“停止并反向”,展开“功、约束与诊断”,点“精确零速度”。

    你会看到: 两者都会到达零速度,之后一个停住,另一个开始下滑。
  4. 04

    向上牵引

    选“向上牵引”。

    你会看到: 足够大的上坡外力改变了运动方向,摩擦箭头也随之改变。
  5. 05

    看静止释放相图

    调整坡角或外力,观察标记跨越运动区的边界。

    你会看到: 零初速释放会有上滑、可静止和下滑三种结果;已有初速需要另外判断。
  6. 06

    重新放置滑块

    点“重置”,再沿斜面拖动滑块,或展开释放设置调节释放位置。

    你会看到: 新试验从选定位置开始;“重放”只重放当前试验。
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