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2023-03-02從科學定律出發 透過簡單的實驗及推理 探討「靜力平衡」與「摩擦力」 639 期

Author 作者 張慧貞/彰化師範大學物理系教授,研究興趣為物理概念發展。

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• 物體同時滿足合力= 0 且合力矩= 0 兩個條件時,會達到「靜力平衡」。此時物體可能保持靜止、等速度運動,或等角速度自轉運動。
• 最大靜摩擦力與所受正向力成正比。在木尺實驗中,離重心較遠的手受到的正向力較小、需克服的最大靜摩擦也較小,因此可以移動。
• 靜摩擦力不等於最大靜摩擦力,靜摩擦力這種被動力的大小只能依據牛頓運動定律中的加速度反推,是學生常見的解題困難。

摩擦力在生活中無處不在,它不一定會造成生活上的困擾或不便,有時候反而能促進物體運動或維持物體的穩定。因此在靜力平衡的實例中,經常涉及摩擦力的探討。但許多學生對於「靜力平衡」與「摩擦力」經常存有許多似是而非的想法,透過本文讓我們一一釐清。

你知道嗎?有個只需一支木製的尺(以下簡稱木尺)就能完成的有趣實驗,可能會顛覆你的直覺!實驗要怎麼進行呢?首先以雙手食指水平撐住一支木尺後,兩邊手指相互施力靠攏(圖一)。試試看,你能否透過「意志力」決定兩邊手指的會合位置,讓木尺在手指上達到力平衡?

在真實體驗後,你將發現透過意志力根本無法控制雙手的移動步伐。雙手從靜止到相互靠攏的過程中,只有離中心較遠的手指才能移動,最後雙手必然會在木尺的正中心,也就是重心處會合。……【更多內容請閱讀科學月刊第639期】