經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

力矩不是力,它是轉動物體受到力後,用來反映物體的轉動難易程度的標量。在研究力矩之前,我們先來了解多個力作用下物體的平衡條件。

物體受到力後,不管它受到幾個力,只要物體屬於靜止或勻速直線運動狀態,我們就說物體所受到的合力為零了。這中解釋跟牛頓第一定律是一樣的,即力是產生物體運動加速度的原因,當物體處於平衡狀態時,物體所受的合力就為零。

經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

物體受到的多個力的平衡狀態下,二力平衡是最好理解的。當物體受到兩個力後,要使物體處於平衡狀態,則這兩個力的大小相等,方向相反。即FI=-F2。當多個力作用於平衡的物體上時,運用平行四邊形法則進行一一合成,最終第一個力逐次合成到第N-1個力後,它們的合力於物體受到的第N個力大小相等,方向相反。

經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

而且,為了更好的解析多點力作用在物體上,物體的運動規律的情況,可以將不在正交座標上的力進行沿著X軸於Y軸分解,如果物體處於平衡狀態,則正交座標線上的合力為零,即Fx=0,Fy=0。

這只是研究物體靜止或勻速直線運動狀態下平衡物體的受力情況。當物體有繞著某一個軸的運動趨勢,但物體右處於平衡狀態時,這時就要引入一個力矩來進行分析了。

我們知道,在家裡的門就是一個轉動的物體,它是繞著一條軸線在做轉動運動。而轉動平衡是一個有固定轉動軸的物體,在力的作用下,如果它能保持靜止或勻速轉動狀態,則稱這個物體處於轉動平衡狀態。

經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

在轉動的物體中,人們習慣上用時針的方向來規定物體的轉動方向,即物體是繞著中心軸做順時針轉動還是逆時針轉動。那麼,我們可不可以這樣理解,只要使物體順時針轉動方向的力等於逆時針方向轉動的力後,物體就處於轉動平衡狀態呢?

經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

很顯然,這種說法行不通。因為力是矢量,它既有大小又有方向。而處於轉動的物體,你很難確定物體在順時針與逆時針轉動方向的上的力的方向。所以,在研究轉動物體時,就必須得引入力矩的概念。

力矩在物理學中的定義為:力與力臂的乘積叫做力矩,符號為大寫的M。表達式為M=F×L。其中F為力,L為力到轉動軸(點)的距離。而在力矩的實際運用中,最難確定的就是力臂。力臂即是轉動軸到力點作用線的距離,為了大家進一步理解力臂,所以還得說明,力臂就是轉動軸(點)到力的作用線的垂直距離。

經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

所以,在推門的過程中,如果你的手力轉動軸的距離越近,那麼你使用到的力就會越大,甚至還不一定能推開,如果你的手恰好放在了門縫處,則你就能將門輕輕的推開。因此,力矩即跟力成正比,同時也跟力臂成正比。

在處於轉動平衡的狀態下,物體所受到的所有力產生的力矩的代數和為零,即M合=0。因此,當我們用一根木棒去撬動一塊石頭時(當然,在這過程中,木棒的下面必須得墊上一塊木磚),我們可以認為石頭有轉動運動的。

經典物理:轉動的物體為什麼要引入力矩呢?

無論我們施加多大的力,只要木棒不使石頭撬動,我們就認為石頭處於轉動平衡狀態。所以,我們能不能說石頭的合力矩M合就是一個變量呢?這是物理學中最大的一個陷阱,因為只要物體處於轉動平衡狀態,物體的合力矩就為零,因此,不管對轉動的物體施加多大的力,其轉動平衡的物體的合力矩就為零。這是易錯點,希望大家能夠規避。


分享到:


相關文章: