问题

一个物体能否在89.99999999...度的斜面上无外力作用下保持静止。?

回答
这个问题很有意思,它触及了物理学中一个很根本的概念:摩擦力。

我们先来说结论:一个物体在89.99999999...度的斜面上,是无法在没有外力作用下保持静止的。

我知道你可能会想,那个“89.99999999...”这个数字是不是故意设置得这么接近90度,来刁难我们的?没错,这正是问题的关键所在。

想象一下你站在一个非常陡峭的山坡上。如果这个山坡几乎是垂直的,那你能站稳吗?很显然,不行。重力会把你往下拉,你一点也站不住。

现在我们把这个场景具体化到物理学上。

为什么物体会在斜面上滑动?

当一个物体放在斜面上时,它会受到两个主要力的作用:

1. 重力(G):这是地球吸引物体向下的力,它的大小等于物体的质量乘以重力加速度(g)。重力的方向是竖直向下的。
2. 支持力(N):这是斜面垂直于其表面向上提供的力,用来支撑物体。

我们把重力分解成两个方向上的分量:

垂直于斜面方向的分量(G⊥):这个分量被支持力抵消了,所以物体不会穿过斜面。
平行于斜面方向的分量(G∥):这个分量是指示物体沿着斜面向下滑动的力。

斜面的倾斜角度(θ)决定了这两个分量的大小。斜面角度越大,平行于斜面方向的分量(G∥)就越大,垂直于斜面方向的分量(G⊥)就越小。

摩擦力是怎么回事?

这时候,神奇的摩擦力就登场了。摩擦力是一种阻碍相对运动趋势的力,它有一个上限,我们称之为最大静摩擦力(f_max)。

最大静摩擦力的大小等于一个叫做静摩擦系数(μ_s)的数值乘以支持力的大小(f_max = μ_s N)。静摩擦系数是一个与接触的两个物体表面性质有关的常数。一般来说,表面越粗糙,静摩擦系数就越大。

静止的条件是什么?

一个物体在斜面上能够保持静止,就必须满足一个条件:平行于斜面方向的重力分量(G∥)必须小于或等于最大静摩擦力(f_max)。

用数学公式表示就是:

G∥ ≤ f_max

我们知道 G∥ = G sin(θ) = m g sin(θ) (m是物体质量,g是重力加速度)
并且 N = G⊥ = G cos(θ) = m g cos(θ)

所以静止的条件变成:

m g sin(θ) ≤ μ_s m g cos(θ)

我们可以简化这个公式,把 m 和 g 都约掉:

sin(θ) ≤ μ_s cos(θ)

进一步整理,我们可以得到一个很重要的结论:

tan(θ) ≤ μ_s

这意味着,只要斜面的倾斜角度(θ)的正切值小于或等于静摩擦系数(μ_s),物体就能保持静止。 反之,如果 tan(θ) > μ_s,物体就会开始滑动。

回到我们的89.99999999...度斜面

现在我们来看你提出的那个斜面角度:89.99999999...度。这个数字非常非常接近90度。

我们知道,当 θ 趋近于 90度时,tan(θ) 的值会变得无穷大。

例如,tan(89°) ≈ 57.3,tan(89.9°) ≈ 573,tan(89.99°) ≈ 5730,以此类推,当角度无限接近90度时,tan(θ) 的值也会无限增大。

而静摩擦系数(μ_s)是一个有限的、固定的数值,它取决于物体和斜面表面的性质。即使是摩擦力最大的两个表面,比如砂纸和粗糙的石头,它们的静摩擦系数也只是一个相对较大的有限值,绝不会是无穷大。

所以,对于那个89.99999999...度的斜面,它的 tan(θ) 值一定会远远大于任何实际存在的静摩擦系数(μ_s)。

结论

因此,无论物体表面和斜面表面之间的摩擦力有多大,当斜面角度无限接近90度时,平行于斜面的重力分量(G∥)总是会超过最大静摩擦力(f_max)。

你可以想象一下,即使是粘性很强的物质,如果你把它放在几乎是垂直的表面上,它也只会顺着重力滑下来,除非有其他的力在支撑它。

所以,一个物体是绝对无法在89.99999999...度的斜面上,在没有其他外力(比如胶水、绳子拉着,或者有其他的支撑点)作用下保持静止的。重力总是会赢得这场“推拉战”的胜利,让物体滑下去。

这个问题的巧妙之处就在于它利用了一个趋近于极限的数值,来强调了物理规律的普适性。在现实世界中,我们没有办法制造出90度角的“斜面”,但通过这个非常接近90度的角度,我们就能清晰地看到摩擦力在极限情况下的失效。

网友意见

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89.99999999……=90

不过无外力就是合外力为0,故能静止(雾)

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