seegongsik
静力学

质点平衡

一点的合力为零,闭合多边形,ΣFx=0·ΣFy=0,平衡力与缆索张力

拔河时两边拉得一样,绳结就停在原地。不是没有力,而是力彼此抵消。聚在一个点上的力的和恰好是 0,那个点就不动。这就是质点的平衡,质点是忽略大小、看成一个点的物体。转动先放下,只看力的和。和为 0 这个条件,在平面上就是横向的和为 0、纵向的和为 0 这两个式子。用这两个式子解开不知道的力,比如缆绳的拉力。先移动一个力,看绳结什么时候失去平衡。

看几个力一起作用在一个点上。这个点叫做质点,这些力合成一个合力 R。那个和不是 0,质点就正好被推向那个 R 的方向,剩下一支箭拖着点走。转动一个力,合力就晃来晃去,越大推得越狠。平衡就是剩下的箭消失的那一刻,也就是和变成 0 的那一刻。下一张图来核对。

把力用头尾接起来看,合力是从第一个尾到最后一个头的那支箭。合力为 0,就是最后一个头恰好回到第一个尾,箭组成没有缝的闭合多边形。拖动最后一个头去闭合多边形,合不上的缝就是合力,那条缝缩成 0 就是平衡。所以平衡的力总是画一个回到原地的闭合环,这就是平衡的图。

用图看是否闭合很直观,计算用分量更准确。和要是 0,横向分量也得是 0,纵向分量也得是 0,于是一个条件分成 ΣFx = 0 和 ΣFy = 0 两个式子。所有横向分量加起来是 0,所有纵向分量加起来是 0。转动第三个力 F3 的角和大小,把两个和同时配成 0,只有两个都是 0 的时候质点才平衡。平面上最多能解两个未知数,是因为式子有两个。

平衡的用处是找出不知道的力。有的力知道,要找一个不知道的力,平衡这个事实就把答案定下。已知力的和要变成 0,不知道的力必须是它们的反向,那个反向叫做平衡力。放下已知的两个力 F1、F2,维持平衡的未知力 F3 就画出来,转动 F1,F3 的大小和方向就跟着变。始终是 F3 = -(F1 + F2),用分量写,F3x = 反向,F3y = 反向。不知道的力就这样被指出来。

重量为 W 的货物挂在两根缆绳上,绳结是质点。向下拉的重量 W,以及沿两根缆绳向上拉的张力 T1、T2,三个力。绳结不动,所以平衡,三个力的和是 0。立两个式子:横向 T1 和 T2 的水平分量彼此抵消,纵向两个张力的竖直分量加起来必须等于重量。缆绳的角越低,越接近水平,张力就急剧变大。把绳子绷得越紧越容易断,理由在这里。

实际应用质点的平衡是作用在那个点上的所有力的和为 0 的状态。图上力组成闭合多边形,式子是 ΣFx = 0 和 ΣFy = 0 两个。用这两个式子解平面上的两个未知数,缆绳的拉力或支承的大小,不知道的力就是已知力的反向,平衡力。顺序总是一样:选一个点,把力一个不漏地画上,分成水平和竖直,立两个式子来解。有大小的物体,不光要力的和,还要算转动,那是下一讲的题目。
← 静力学
如果有帮助,请支持我们