當前位置: 華文問答 > 科學

有沒有大神可以把力矩的物理意義講清楚?

2021-02-01科學

謝邀, 這裏從物體(剛體)的轉動說起。

如果看得累,可以至少看完第一 、第二部份~

一、物體轉動與力矩的關系

首先, 物體的運動有平動(Translational Motion)和轉動(Rotational Motion) 。比如,在斜面上推動一滾軸,則該滾軸為平動;開門時門繞定軸轉,則為該門為轉動。

物體平動時有 位移 x ,轉動時有 角位移 \theta ;平動時有 速度 v=\frac{dx}{dt} ,轉動時有 角速度 \omega=\frac{d\theta}{dt} ;平動時有 加速度 a=\frac{dv}{dt}=\frac{d^{2}x}{dt^2} ,轉動時有 角加速度 \alpha=\frac{d\omega}{dt}=\frac{d^2\theta}{dt^2} 。

力(Force)直接改變物體平動狀態,力矩(Torque)直接改變物體的轉動狀態!

淨外力是物體平動狀態改變的原因,而淨外力矩是物體轉動狀態改變的原因!

對於平動,有 F=ma ,其中 F 為淨外力, m 為慣性品質(即品質), a 為加速度;而對於轉動,有 M=J\alpha ,其中 M 為淨外力矩, J 為轉動慣量, \alpha 為角加速度。

(對於轉動也有寫法為 \tau=I\alpha ,其中 \tau 為淨外力矩, I 為轉動慣量, \alpha 為角加速度。)

由此可知, 力直接導致物體的加速度,而力矩直接導致物體的角加速度。 當然, 當淨外力矩為0時,物體不轉動 ,比如杠桿平衡。

二、對力矩計算的理解

力矩 是 力的一種使物體以一定角加速轉動的能力。

M=r\times F (向量的叉乘)

力矩的大小: M=r_{\bot}F=rF_{\bot}=rFsin\varphi

力矩的方向:垂直於 r 和 F 所在的平面

三、力矩與物體靜平衡

一個物體靜平衡,既需要達到平動上的平衡也需要達到轉動上的平衡。

平動上的平衡要淨外力為零,而轉動上的平衡要淨外力矩為零。

即靜平衡需要: \Sigma F=0 且 \Sigma M=0

這裏給一個簡單的物體靜平衡的例子:

一長度為 l 、品質為 m_1 的梯子倚靠在光滑墻面上,與地面夾角為 \theta 。某工人站在梯子的三分之二高處,其與手上器具的總品質為m_2 。 若墻面與梯子的摩擦忽略不計,為了防止梯子下滑,梯子與地面的靜摩擦系數至少要是多少?

梯子不下滑,需要靜平衡,則合力、合力矩都必須為0.

受力分析:

F_{Nh} - 墻對梯子的支持力

F_{NG} - 地面對梯子的支持力

F_{f} - 地面與梯子間的摩擦力

F_{gl} - 梯子的重力

F_{gFF} - 人與器具的總重力

選擇梯子與地面的接觸點為支點:

因為\Sigma F=0 ,所以 \Sigma F_x=0 且 \Sigma F_y=0 。

首先 \Sigma F_y=0

則 F_{NG}+F_{gl}+F_{gFF}=0

F_{NG}-m_1g-m_2g=0

F_{NG}=(m_1+m_2)g

同時 \Sigma M=0

則有 M_{NG}+M_{f}+M_{gl}+M_{FF}+M_{Nh}=0

0+0+\frac{l}{2}cos\theta m_1g+\frac{2}{3}lcos\theta m_2g+lsin\theta F_{Nh}=0

F_{Nh}=\frac{lcos\theta(\frac{1}{2}m_1g+\frac{2}{3}m_2g)}{lsin\theta} =cot\theta (\frac{1}{2}m_1g+\frac{2}{3}m_2g)

還有 \Sigma F_x=0

則 F_f+F_{Nh}=0

F_f=-F_{Nh}

\left| F_f\right|=\left| F_{Nh}\right|=cot\theta (\frac{1}{2}m_1g+\frac{2}{3}m_2g)

則梯子與地面的靜摩擦系數至少為

\mu=\frac{F_f}{F_{NG}}=\frac{cot\theta (\frac{1}{2}m_1g+\frac{2}{3}m_2g)}{(m_1+m_2)g}=\frac{cot\theta (\frac{1}{2}m_1+\frac{2}{3}m_2)}{m_1+m_2}

四、力矩與物體平動加轉動

一個物體平動遵守 F=ma , 轉動遵守 M=J\alpha 。

【其中 F 為淨外力, m 為慣性品質(即品質), a 為加速度; M 為淨外力矩, J 為轉動慣量, \alpha 為角加速度。】

這裏給一個簡單的物體平動+轉動的的例子:

如圖,細繩包裹著一個品質為 m ,半徑為 R 的均勻實心圓柱體,圓柱體從靜止開始下落。該圓柱的轉動慣量為 \frac{1}{2}mR^2 。則當圓柱下落時細繩的拉力是多少?

(CM指質心)

受力分析:

T - 細繩拉力

mg - 圓柱重力

該均勻圓柱繞質心轉動,故力矩的大小為 M=TR 。

所以淨外力矩為 M=TR 。

由於M=J\alpha

故有 TR=\frac{1}{2}mR^2\alpha ······ (1)

由於F=ma

故有 mg-T=ma ······ (2)

線加速度 a 與角加速度 \alpha 的關系為: a=R\alpha ······ (3)

聯立(1)(2)(3),可得 a=\frac{2}{3}g

將a=\frac{2}{3}g 代入(1),得當圓柱下落時細繩的拉力為 T=\frac{1}{3}mg 。

五、力矩與角動量

物體的角動量等於其轉動慣量與角速度的乘積: L=J\omega ,其中 L 為角動量, J 為轉動慣量, \omega 為角速度。

則其微碎形式為 dL=Jd\omega

由於 M=J\alpha , \alpha=\frac{d\omega}{dt}

故力矩可重新表示為 M=J\frac{d\omega}{dt}=\frac{dL}{dt}

由此可知, 物體所受的外力矩等於其角動量的變化率。

由M=\frac{dL}{dt} ,可得 \Delta L=\int_{t_1}^{t_2}Mdt

由此可知, 角動量的變化量是力矩對時間的累積效應。 \Delta L 也稱為沖量矩。

這可以類比於物體平動所受的外力等於其動量的變化率、物體平動動量的變化量(沖量)是力對時間的累積效應。( F=\frac{dP}{dt} 、 \Delta P=\int_{t_1}^{t_2}Fdt

六、力矩做功

首先,功的基本定義是:

dW=F\cdot dr

然後如下圖:

進一步地,根據向量的點乘,對於定軸轉動物體有 dW=F\cdot dr=(F_{\bot})(r d\varphi)

則 dW=(F_{\bot}r) d\varphi=Md\varphi

故 W=\int_{\varphi_1}^{\varphi_2}Md\varphi

因此, 對(定軸)轉動物體做的功,是力矩做的功。

類比於物體平動時力做功 W=\int_{r_1}^{r_2}F\cdot dr ,物體轉動時有力矩做功 W=\int_{\varphi_1}^{\varphi_2}Md\varphi 。

七、力矩與轉動動能定理

之前所說外力矩做功有:W=\int_{\varphi_1}^{\varphi_2}Md\varphi

由於 M=J\alpha , \alpha=\frac{d\omega}{dt}

故有 W=\int_{\varphi_1}^{\varphi_2}J\alpha d\varphi=J\int_{\varphi_1}^{\varphi_2}\frac{d\omega}{dt}d\varphi

由於 \omega=\frac{d\varphi}{dt}

所以 W=J\int_{\omega_1}^{\omega_2}\omega d\omega=\frac{1}{2}J \omega_{2}^{2}-J\omega^2_1

因為 定義物體的轉動動能為 E_k=\frac{1}{2}J\omega^2 , 所以 W=E_{k_2}-E_{k_1} 。

由此可知, 淨外力矩對物體做的功等於該物體轉動動能的變化量。這就是轉動中的動能定理。

這可以類比於物體平動時的動能定理:淨外力對物體做的功等於該物體平動動能的變化量。

八、機械能守恒時力矩與勢能的關系

在沒有非保守力時機械能守恒:

E_{總}=E_k+E_p=常數

其微碎形式為

dE_{總}=0=dE_k+dE_p

由於功等於動能的變化量 W=\Delta E_k=E_k-E_{k_0} ,微碎形式 dW=dE_k

所以當機械能守恒時勢能與功的關系為

dW=dE_k=-dE_p

之前已提, 對於定軸轉動物體有 dW=Md\varphi

則 M=\frac{dW}{d\varphi}

故有 M=-\frac{dE_p}{d\varphi}

(註意僅當力矩是由保守力產生時該關系才有效。)

九、力矩與功率的關系

功率的定義為 P=\frac{dW}{dt}

之前已提, 對於定軸轉動物體有 dW=Md\varphi

則 P=\frac{dW}{dt}=\frac{Md\varphi}{dt}

由於角速度 \omega=\frac{d\varphi}{dt} ,所以有 P=M\omega

類比於物體平動時功率 P=F\cdot v ,物體轉動時有功率 P=M\omega 。

不過其實我寫的打的也挺累的,給個贊吧~