第4章 二力平衡、摩擦力与运动状态判断
公交车在平直道路上匀速前进时，车厢里的书包看上去安安稳稳。它明明受到重力，为什么没有往下掉？你用手推讲台，讲台没有移动，难道你的推力“没有起作用”？又或者，只要物体正在运动，就一定有一个力推着它向前吗？
这些问题的麻烦之处，在于我们很容易只盯着一个力，或者只盯着物体“动不动”。真正可靠的办法是先选定研究对象，把它受到的力一一找全，再看这些力能否彼此平衡。摩擦力也要放进这条思路中理解：它不是专门来“拖后腿”的坏角色，而是接触面为了阻碍相对运动或相对运动趋势而产生的力。
一、没有改变运动状态，不等于没有受力
一本书静止在水平桌面上。重力竖直向下，桌面对书的支持力竖直向上。如果只画重力，书应该下落；如果只画支持力，书又应该向上运动。实际结果是书保持静止，说明这两个力共同作用时，彼此抵消了改变运动状态的效果。
物体处于静止状态或匀速直线运动状态，我们就说它处于平衡状态。处于平衡状态的物体受到的力叫作平衡力。这里要特别看清“匀速直线”四个字：速度大小不变但方向不断改变，不是平衡状态；沿直线运动但越来越快，也不是平衡状态。
“平衡”描述的是物体运动状态不改变，并不等于物体没有受力。静止的吊灯受到重力和拉力，匀速行驶的汽车也可能同时受到牵引力和阻力；只要各力共同作用的效果相互抵消，物体仍可保持平衡。
现在想一想：一列火车沿笔直轨道匀速行驶，它是“运动的”，还能算平衡吗？当然算。判断平衡不能只问“动还是不动”，而要问“速度的大小和方向是否改变”。
二、两个力怎样才能真正平衡
先别急着背条件。把一辆轻巧的小车放在水平桌面上，两端细线绕过滑轮，各挂一个钩码。两个钩码相同时，小车可能保持静止。若一侧增加钩码，小车便向较重的一侧运动。可见方向相反还不够，两个力的大小也要相等。
如果两个力大小相等、方向相反，却不在同一直线上，小车可能发生转动，仍不能保持原来的状态。实验把这些条件一项一项拆开，目的不是多记几句话，而是让每个条件都经得起反例检验。
下面的实验台允许你故意破坏一个条件。先预测物体能否平衡，再改变力的大小、方向、作用线和受力物体，看看是哪一个条件让结果发生变化。
实验结论可以严谨地写成：作用在同一物体上的两个力，如果大小相等、方向相反，并且作用在同一直线上，这两个力就彼此平衡。可以压缩成四个检查词：同体、等大、反向、共线。
注意，四个条件必须同时满足。两个力都为 5 N，若方向相同，就不能平衡；方向相反却不共线，也不能平衡；分别作用在两个物体上，更不能把它们说成“同一物体受到的平衡力”。
探究实验为什么要减小小车受到的阻力
桌面对小车也有摩擦。若摩擦较大，小车在两侧拉力略有差别时也可能暂时不动，我们就可能误以为“不等大的两个力也能平衡”。因此实验通常选择轮子灵活的小车、较光滑的桌面，并让两侧细线尽量水平。这样做不是要把现实中的摩擦假装不存在，而是尽量减小无关因素对实验结论的干扰。
实验还应进行多次、逐项改变条件。只做一次“两个钩码一样重，小车静止”，最多说明这个组合可能平衡，不能单凭一次现象确认四个条件。控制变量的意思正是：研究某个条件时，其他条件尽量保持不变。
三、长得很像的两对力，研究对象完全不同
书静止在桌面上，书受到的重力和桌面对书的支持力是一对平衡力。与此同时，书压桌面，桌面也支持书，这两个力是物体间相互作用的一对力。两组力都可能“等大、反向、共线”，所以只看箭头很容易认错。
最有效的办法不是背名称，而是追问：每个力作用在哪个物体上？是谁施加的？
- 平衡力作用在同一个物体上，共同决定这个物体能否保持平衡，两个力的性质可以不同。例如书的重力和支持力，一个来自地球，一个来自桌面。
- 相互作用的一对力分别作用在两个物体上，是两个物体彼此施力的结果。例如桌面对书的支持力与书对桌面的压力，分别作用在书和桌面上，性质相同。
你可能会想：“书对桌面的压力”和“书受到的重力”都是向下的，能不能算一对力？不能。前者作用在桌面，后者作用在书，研究对象已经不同；它们也不是书与桌面之间彼此施加的一对力。
把下面几组力拖进合适的位置。每次先锁定受力物体，再检查施力物体和四个平衡条件，比凭箭头方向猜更稳。
四、摩擦力到底在阻碍谁
穿着运动鞋走路时，脚向后蹬地，地面对脚的摩擦力却向前，正是它帮助人前进。看到这里，“摩擦力总与物体运动方向相反”这句话就卡住了。问题出在参照对象：摩擦力阻碍的是两个接触面之间的相对运动或相对运动趋势，不一定阻碍物体相对地面的整体运动。
摩擦力产生需要两个物体相互接触并挤压，接触面不是理想光滑的，而且接触面之间存在相对运动或相对运动趋势。摩擦力的方向沿接触面，并与接触面间相对运动或相对运动趋势的方向相反。
例如，用水平力向右推箱子，箱子仍静止。箱子相对地面有向右运动的趋势，地面对箱子的静摩擦力就向左。在推力还没有大到使箱子滑动的一段范围内，推力增大，静摩擦力也会随之调整，使箱子仍保持平衡。不能一看到“静摩擦力”就给它套上某个固定数值。
若木块已经在地面上向右滑动，它相对地面的滑动方向向右，地面对木块的滑动摩擦力向左。若研究的是地面受到木块的摩擦力，方向则相反。因此画摩擦力前必须先把研究对象圈出来。
下面的训练把“研究对象—相对运动或趋势—摩擦方向”连成一条判断链。先自己作答，再看反馈为什么不能只看物体的运动方向。
摩擦力不一定是阻力。它可能阻碍物体运动，也可能成为物体前进的动力；判断方向时只认接触面间的相对运动或相对运动趋势，不能机械地写成“与运动方向相反”。
五、看不见的摩擦力，怎样用测力计量出来
把木块放在水平木板上，用弹簧测力计水平拉动。测力计显示的是拉力，不会直接显示“摩擦力”。那为什么读数还能告诉我们滑动摩擦力的大小？关键就在二力平衡。
当木块沿水平面做匀速直线运动时，水平方向只考虑拉力和滑动摩擦力，这两个力彼此平衡，所以摩擦力大小等于测力计的示数。若木块忽快忽慢，它就不处于平衡状态，不能再直接用瞬间示数当作摩擦力大小。
规范操作要抓住几个细节：测力计使用前调零；拉力方向与木板平行；让木块相对木板做匀速直线运动；在运动过程中读取较稳定的示数；多测几次，避免偶然误差。若斜向上拉，木块对木板的压力会改变，实验条件也跟着变了。
现在想一想：有同学先让木块匀速运动，随后停手，等木块停下后才读测力计。这个读数能代表刚才的滑动摩擦力吗？不能。停手以后测力计的拉力已经改变，木块也不再处于刚才的匀速状态，读数和要研究的过程没有对应起来。
六、摩擦力大小，不能靠“接触面积看起来更大”来猜
探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关，可以提出几个常见猜想：是否与压力有关，是否与接触面的材料、粗糙程度有关，是否与接触面积有关。每次只改变一个因素，其他条件保持不变。
在同一木板上给木块加砝码，保持接触面的材料和粗糙程度不变，比较匀速拉动时的示数，可以研究压力的影响；保持压力相同，换用材料或粗糙程度不同的接触面，可以比较接触面状况的影响。若想单独研究材料或粗糙程度，还应尽量控制另一个条件不变，不能把两个因素一起改了以后只归因于其中一个。把同一长方体木块平放、侧放，保持压力、接触面材料和粗糙程度不变，则可以检验接触面积是否影响滑动摩擦力。
初中实验得到的结论是：在其他条件相同时，压力越大，滑动摩擦力越大；接触面的材料和粗糙程度不同，滑动摩擦力也会不同，通常接触面越粗糙，滑动摩擦力越大；接触面积通常不是影响滑动摩擦力大小的因素。这里说的是控制其他条件后的比较，不需要提前引入高中阶段的定量公式。
下面的模拟实验会自动记录每组数据。请先选好要研究的因素，再决定哪些量要保持不变；如果一次改了两个条件，即使示数变了，也无法判断究竟是谁造成的。
让摩擦“该大时大，该小时小”
鞋底和轮胎刻花纹，是通过增大接触面的粗糙程度来增大有益摩擦；刹车时压紧刹车片，是通过增大压力来增大摩擦。相反，机器转轴加润滑油、气垫船让接触面分离，都是为了减小摩擦；用滚动代替滑动，通常也能显著减小摩擦。
注意，这是一个很爱伪装的陷阱：把箱子换一个面积更小的面放在地上，并不是教材中增大滑动摩擦力的方法。只要压力、接触面的材料和粗糙程度不变，改变接触面积不会改变滑动摩擦力。运动鞋鞋底做得宽，往往还有舒适、稳定、减小压强等其他目的，不能把所有设计都解释成“为了增大摩擦”。
七、同一直线上的两个力，先合成再判断
同一个物体在同一直线上受到两个力时，可以把它们共同的作用效果用一个力来表示，这个力叫作这两个力的合力。这里不需要复杂作图，只要看方向并做加减：两个力方向相同，合力大小等于两力之和，方向与它们相同；两个力方向相反，合力大小等于两力之差，方向与较大的力相同。若两个反向力大小相等，合力就是 0，这正是二力平衡。
先想一想：箱子在水平方向受到向右 9 N 的力和向左 4 N 的力，合力多大、方向怎样？
两个力方向相反，应先作差：9 N-4 N=5 N。向右的力较大，所以合力为 5 N，方向向右。容易错的地方有两个：把反向二力也相加，或者只写数值却漏写方向。合力不为零，说明这两个力不平衡；在初中范围内，我们据此判断物体的运动状态会改变，不进一步计算改变得有多快。
八、由受力判断运动状态，要把箭头和变化连起来
如果物体受到平衡力，它会保持原来的平衡状态：原来静止，就继续静止；原来运动，就继续做匀速直线运动。若物体受到的力不平衡，它的运动状态会改变，可能由静止开始运动，可能加速或减速，也可能改变运动方向。
反过来观察也很有用：物体静止或做匀速直线运动时，所受力平衡；物体速度的大小或方向发生改变时，所受力不平衡。但仅凭“它正在运动”，既不能断定它受平衡力，也不能断定它受非平衡力，还要继续看运动是否是匀速直线运动。
例如，水平向右运动的小车受到向右 6 N 的拉力和向左 6 N 的阻力。若竖直方向也平衡，小车将保持原来的匀速直线运动状态，而不是“两个力抵消后立刻停下”。力决定的是运动状态是否改变，不是决定物体眼下有没有速度。
下面的判断器把初始状态和受力关系分开设置。你会看到，同样是“受平衡力”，静止物体与运动物体会保留各自原来的状态；同样是“不平衡”，我们只能在初中范围内判断运动状态将改变，不能凭这点直接算出速度怎样变化。
到了中考复习阶段，本章的得分点通常不是多背一句定义，而是把研究对象和条件写完整：二力平衡要说“同体、等大、反向、共线”；测滑动摩擦力要说明“水平匀速拉动，并依据二力平衡读数”；分析实验要写清控制变量；判断摩擦方向要说明相对运动或相对运动趋势。最常见的失分，恰好来自省略这些条件。
课后练习
1. 平衡状态辨析
1
下列物体处于平衡状态的是
2. 二力平衡条件
一个物体只受两个力，其中一个力大小为 8 N、方向水平向东。若物体保持静止，另一个力应满足什么条件？
3. 平衡力还是相互作用力
3
书静止在水平桌面上。下列属于一对平衡力的是
4. 摩擦力方向
人向右走路时，脚相对地面有向后滑动的趋势。地面对脚的摩擦力方向怎样？这个摩擦力对人前进起什么作用？
5. 测量滑动摩擦力
5
用弹簧测力计测木块受到的滑动摩擦力，下列操作正确的是
6. 控制变量
某同学想研究滑动摩擦力与压力的关系。他用同一木块在木板上做两次实验，第二次在木块上增加砝码，却同时把木板换成毛巾。这个方案能得出结论吗？为什么？
7. 接触面积的误区
7
在压力和接触面的粗糙程度相同时，把长方体木块从平放改为侧放，滑动摩擦力一定增大。
8. 增大或减小摩擦
自行车的轮胎上有花纹，车轴处装有滚动轴承。请分别说明它们改变摩擦的方法。
9. 运动状态判断
一辆小车原来在水平直路上向东做匀速直线运动。若它受到的所有力继续保持平衡，小车接下来将怎样运动？
9
小车接下来的运动状态是
10. 同一直线上二力的合成
一个物体在水平方向受到向东 12 N 和向西 7 N 的两个力。求这两个力的合力，并判断它们是否平衡。若向西的力随后也变为 12 N，合力又是多少？
把这十道题串起来，真正通用的顺序只有三步：先定研究对象，再画它受到的力，最后用运动状态检查这些力是否平衡。下一章研究压力作用效果和液体压强时，我们仍会沿用这条路线，只是关注点会从“力怎样改变运动”转向“力怎样作用在一定面积上”。