【生活中的科学】--人行走时的摩擦力情况你知道多少？

【慕联导读】

曾见到不少习题书提到“某人匀速前进”的内容，初时并未留意，但是细究起来却发现问题不少，本文就从这里说起。

人行走时的摩擦力情况你知道多少？

1.人到底能不能匀速前进？

我们知道，匀速运动的条件是物体完全不受力的作用或者受到的是平衡力的作用。假如人能够做匀速运动，那么人必定受到了平衡力的作用。为方便分析，现假设某人正在平直道路上行走，竖直方向的受力无疑是平衡力，那这个人沿水平方向呢，是否能受到平衡力作用？恐怕不能。因为，一般来说，人走路的时候，大部分时间是两只脚底交替和地面接触，两只脚底同时和地面接触的时间不长，而一个接触面上只有可能产生一个摩擦力，因此大部分时候人所受的水平方向的作用力只有一个，不可能是平衡力。人也就不可能匀速前进了。

2.人行走时所受摩擦力究竟是什么方向？

既然人不能匀速前进，那么人就是在变速运动了，但是是怎样变速运动的，还要从人行走时所受的摩擦力说起。

人起动时，一般提起左脚，同时右脚对地向后用力，相对地面有向后的运动趋势，人就受到地面的向前的静摩擦力，也就向前加速运动。那么人是不是总是这样受力呢？也不是。可以设想一下，假如人总是这样受力，那速度岂不是越来越快，快得比汽车火车都快，这当然是不可能的。

人从发出抬腿的神经指令到运动肌肉开始运动，再到腿抬起后在人的前方放下，是需要一定的时间的。如果人在低速慢行，那么放下去的那一只脚相对于地面的运动方向就可以是任意的，即可以是相对地面向前运动，可以相对于地面向后运动，也可以是相对于地面静止。不过，一般情况下总是相对于地面静上或者相对于地面向前运动。如果人的速度已经够快了，例如以5m/s的速度奔跑，那么跨出去的那一只脚落地的时候必定相对于地面向前运动，因为没有足够的时间让人以大于5m/s的速度跨出脚并在落地前用力使脚相对于地面的速度迅速变为零甚至变为向后的速度，那已经超出人的肌肉运动所能产生的加速度了。所以，一般情况下，伸到人前方的那一只脚落地时就不受地面的摩擦力或者受到的地面的摩擦力是向后的滑动摩擦力。

一般情况下，在人的前脚落地之后，总是由后脚用力向后蹬获得向前的静摩擦力，而前脚并不用力向后蹬，人在潜意识里总是要劳逸结合。随着人的重心前移，前脚所受正压力增大，导致脚底和地面之间的最大静摩擦力也增大，滑动摩擦力迅速转变为向后的静摩擦力。当后脚提起来之后，前脚已经处于人质心的下方，这时候才会用力向后蹬获得继续前进的摩擦力。接下来就是重复前面的过程。

所以，人走路的时候，既不是持续地加速，也并非持续地减速，而是加速和减速交替出现。加速使得人能够向前运动，而减速能使人得到充裕的时候准备下一个动作，不至于跌倒，也能使人劳逸结合，从而能够长时间地向前运动。这里很有一番哲学道理。

3.人行走时究竟是什么力在做功？

很多人以为，既然人行走会受到地面的摩擦力，而且摩擦力的方向恰好和人的行走方向在同一条直线上，那么人之所以会获得动能当然就是因为摩擦力对人做功了。

然而，这是一个显而易见的错误。我们知道，做功要求有力有位移，但是人的脚底得到摩擦力的时候，力的作用面却并没有位移，人抬起脚来向前移动的时候没有了摩擦力，所以人之所以会获得动能并不是摩擦力对人做功。那么是什么力在做功使得人获得动能呢？我们看到肌肉收缩时对身体部位作用了力，同时肌腱处即肌力的作用点发生位移引起腿脚运动，所以应该是人自身的肌肉对人做功。这里对应的功能关系是，人自身的生物能通过肌肉做功转化成为人的机械能。

行进中的人总是在不自觉地根据不同时间的不同需要在自身能力范围内寻求最快的运动和最长久的运动的不同的平衡。

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