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一直想不明白
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  • 1 # 小小知識雜貨鋪

    對於我們走路時什麼力在做功很多人都認為是摩擦力在做功,其實並不是。那麼問題是究竟是什麼力在做功,我們今天就試著給大家分析分析這個問題。為什麼不是摩擦力做功

    實際上人走路摩擦力並未做功,透過推測真正在做功的其實應該是地球(地球引力)。首先讓我們在回憶一下公式:如果一個力作用在“某物體”上,且物體在這個力的方向上移動了一段距離。看清楚了,物體的功一定是對應物體的,回到問題本身我們發現摩擦力是作用在人的腳上,但問題在於我們在走路時當腳與地面接觸時,腳沒有向前移動,腳和地面之間是靜摩擦力。有的人會說那人不是向前運動了嗎?

    這就是第二個關鍵點:(1)我們之所以強調物體本身,是因為腳不等於我們整個身體,實際上腳只佔我們身體質量的很小一部分(2)實際上任何物體都有質量,如果我們把物體的質量都看作聚集在一個點上這個點稱為質點,那麼這個點的位置我們在物理學上稱之為質心,在重力場均勻的情況下我們可以近似的認為這個點就是人的重心。顯然我們人的重心不在腳上,所以這個力的作用物件是我們的腳,而非人的質心。這就是強調作用物件的意義,否則人提水上樓和用繩子提升就沒有區分的必要了。

    為什麼做功的會變成地球?

    首先透過第二點我們可以知道摩擦力不做功但是他和我們身體肌肉產生的力方向相反並且不再一條直線上,如果細心留意生活的朋友肯定知道如果不再同一條直線上但是兩個方向相反的力作用在同一個物體上他的效果是使這個物體旋轉(我們稱這個效果為力矩)生活中最常見例子的就是我們開車時對方向盤產生的力使方向盤轉動了。

    △力的大小相等方向相反但不在同一直線

    第二:由於摩擦力和身體產生的力形成力矩,會使我們人的質心(重心)向前旋轉的趨勢,就是說這個力破壞了身體平衡,導致重心前移,主要是我們要釐清一個概念重心前移並不是摩擦力在做功,摩擦力只是改變了這個平衡狀態,根據動量守恆定理(牛頓第三定理)這其實是物體間的動量發生了轉移,但整個系統動量守恆。所以說把人看做一個系統的話這個力矩其實是系統內力,並非外力做功。從這個角度出發也能側面印證並非摩擦力做功。

    舉個例子:就好像我們打檯球一樣,當我們激發白球時只是一瞬間,我們的球杆並沒有一直推著球杆運動,或者說有的時候當球速很快的時候我們甚至可以觀察到,白球快速碰撞到其他球時候,白球瞬間就停在碰撞點,轉而被擊打的球迅速滾了出去。在這個過程中白球也並沒有一直推著被擊打的球運動。沒有位移就不會發生做功,所以說這個過程只是一個能量轉移的過程,兩個球碰撞的力也屬於系統內力,能量從一個物體轉移到另一個物體,使另一個物體從原有的平衡狀態(靜止)轉換成另一個平衡狀態(勻速直線運動)。實際上我們所說的隔山打牛,打Golf都屬於這種情況。

    假設把我們的重心想象成一個Golf球,系統內力想象成球杆,你揮杆打球只在瞬間如果不受重力和空氣阻力球被打出去其實會保持勻速直線運動。那麼也就是說你的重心因為這個力矩發生能量轉移,使你的重心打破了原有的平衡向前運動。所以說我們人體走路消耗的能量並不是直接透過摩擦力做功消耗的而是一個間接式的消耗(產生能量→能量轉移→抵消重力做功),弄清楚這個關係我們就可以接下去解釋了。

    這個時候你的腳上的支援力和重心上受到的重力就不再同一條直線上,人就會有一個向前傾倒的趨勢(系統外產生力矩),不信的話你可以向前邁一步,為了效果明顯可以邁的大點,但是往前邁的腳不要落地,你看看你是不是會向下傾倒。

    △身體前傾,腳同步往前

    最後,由於人體重心前移,為了保持平衡人們不得不向前邁一隻腳,使得往前邁的那隻腳上受到的支援力和人體受到的重力重新處於同一條直線上,並且前傾會使得重心發生微小的下降,這個時候就得支援力也會把重心向上再提升回原來的水平這個時候就發生抵消重力做功。以此週而復始我們人自然就走了起來,實際上當我們走路時步子邁的大點我們對人的影子投影觀測會發現影子不是呈直線往前運動的,而是像波浪線那樣起伏的往前運動的。從這個現象也能側面印證我們走路到底是誰在做功。

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