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静力学

力的分解

带大小和方向的箭头,Fx = F cosθ,Fy = F sinθ,合成与单位向量

把力画在纸上,就是一支箭。长度是大小,箭头的方向是方向,所以力不是一个数,而是同时带着大小和方向的向量。斜的箭不好处理,就分成横向多少、纵向多少两段。这就是分成分量,斜的一个力变得和水平力加竖直力一样。这一手撑起整个静力学,无论平衡还是结构,最后都用分量来解。从亲手移动这支箭开始。

抓住箭头来拉,拉多少箭就长多少,力就变大。转动箭头,方向就变。大小和方向分开走,大小相同而方向不同,就是完全不同的力。用 5N 向右推,和用 5N 向上推,结果完全不同。写力的时候不能只写大小,还要写方向,通常用从水平量起的角来表示方向。

把斜的箭分成两段。横向推多少是 x 分量 Fx,纵向推多少是 y 分量。把角放平,Fx 变大。把角立起来,竖直分量变大,那里出现一个直角三角形。斜边是力 F,底边是 Fx,高是竖直分量,所以 Fx = F cosθ,Fy = F sinθ,就是三角比。一支箭被改写成横向的力和纵向的力。

反过来也行。分别定下横向的力和纵向的力,两者合起来又变回一支斜的力,拨动滑块就能看见这个过程。把两个力当成矩形的两条边,对角线就是合力 F。大小用勾股,F = √(Fx² + Fy²),方向是 θ = arctan(FyFx)。分开是把一个分成两个,合起来是把两个收成一个。把几个力相加时,先各自分成分量,横向和横向加,纵向和纵向加,最后再这样合回去。

结构在空间里而不在平面上,方法还是一样。在横向 Fx 和纵向之外再加一个深度方向。沿三个方向把力叠起来,箭就变成长方体的对角线,大小是 F = √(Fx² + Fy² + Fz²)。把 2D 的勾股伸成 3D,维度多了,分成分量的想法还在。所以空间里的力也写成 x·y·z 三个数。

只把方向分开。丢掉箭的大小,只留方向,就得到长度恰好是 1 的短箭,这就是单位向量 u。在平面上 u = (cosθ, sinθ),长度永远是 |u| = 1,所以转动角度,箭头始终在单位圆上滑动。原来的力是方向乘上大小,所以 F = F·u,方向由 u 负责,大小由前面的数负责。这是把力的两份信息分开来写的方法,方向倾斜的时候特别有用。

实际应用力是一支箭,也就是同时带着大小和方向的向量。斜的力总是分成两个分量,写成 Fx = F cosθ,Fy = F sinθ。反过来合起来用 F = √(Fx² + Fy²),θ = arctan(FyFx)。到了空间就加上深度,F = √(Fx² + Fy² + Fz²),如果只写方向,单位向量是 u = (cosθ, sinθ),|u| = 1,而且 F = F·u。静力学的题目从这次分开开始,几个力聚到一点,就把各自打开成分量,横向和横向加,纵向和纵向加。下一讲把几个力收成一个合力。
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