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静力学

多个力汇成一个合力

首尾相接与平行四边形,由 ΣFx·ΣFy 得 R = √(ΣFx² + ΣFy²),分解是合成的逆

当几个力同时作用在一个点上会怎样?幸好,它们的全部效果可以用一个力来代替。这一个就叫合力。把多个力换成一个合力,杂乱的图就清爽成一根箭头。合成的办法有两种画法和一种计算:把箭头首尾相接,或画一个平行四边形,或者把每个力拆成分量,横的和横的加、竖的和竖的加。三种结果都一样。先亲手转动第二个力,看合力如何跟着动。

加力最直观的办法,就是把箭头接起来。画出第一个力 F1,从它的头开始接第二个力 F2 的尾。那么 F2 的头就标出了两个力相加到达的地方。从最开头的尾径直画到最末的头,这根箭头就是合力 R。转动 F2 看看。无论 F2 指向哪里,R 始终从起点连到最末的头。三个、四个力也一样:尾接头、尾接头,再把最初和最末连起来就完事。换个顺序,落点还是同一个。

只有两个力时,有一个更清爽的画法。让两个力从同一点出发,用两根箭头画一个平行四边形。把 F1 和 F2 当作两条边,横跨其间的那条对角线就是合力 R。其实这跟首尾相接的方法是一回事:平行四边形对面那条边正是 F2 平移过来的,所以等于把 F2 接到 F1 的头上。转动 F2,平行四边形就歪斜,对角线 R 的长短和方向随之改变。两个力越是指向同一边,R 越长;指向正相反,就互相抵消,R 变短。

画法对付两个力还行,可一旦增到三个四个,拿尺子量就很别扭。所以实务里用分量来加。把每个力拆成水平和竖直两部分,然后横的全加成 ΣFx,竖的全加成 ΣFy。这里有三个力作用在一点。转动 F3,下面两个累加值 ΣFx 和 ΣFy 就实时改变。一定要带上符号:向右、向上为正,向左、向下为负。这样汇总出来的 ΣFx、ΣFy 两个数,就是合力的水平和竖直分量。不管有几个力,最后都缩成两个数。

现在是最后一步。拿汇总好的 ΣFx 和 ΣFy,求合力的大小和方向。合力 R 是以 ΣFx 和 ΣFy 为两边的直角三角形的斜边,所以大小是 R = √(ΣFx² + ΣFy²),方向是 θ = arctan(ΣFyΣFx)。上一幕的三个力,在这里汇成了一根粗箭头,合力 R。转动 F3,R 的长短和角度一起改变。读方向时,一定要用 ΣFx 和 ΣFy 的符号确认它落在哪个象限;只信 arctan,很容易指反方向。就这样,纠缠的几个力,被收拾成一个大小、一个角度。

最后,我们把方向倒过来。如果说合成是把多个力聚成一个,那么分解就是把一个解开成多个;两者是同一关系的两端。所以你也可以把一个力,按你自己定的任意两个方向重新拆开,并不一定非得是横竖。这里有一个合力 R,还有两条斜的导引线。把 R 沿两条导引线方向分解,再把这两个分量首尾相接,就正好回到 R。改一改导引线的角度。两个分量的大小会变,可合起来永远是同一个 R。每当要把一个力沿特定方向分开,比如斜面、滑轮、缆索,这个反方向正是你需要的。

实际应用总结一下:作用在一点的几个力,总能换成一个合力 R。两个力时,用首尾相接或平行四边形对角线一眼求得;力多时,用分量来加。求出 ΣFx 和 ΣFy,再用 R = √(ΣFx² + ΣFy²),θ = arctan(ΣFyΣFx),并始终用符号确认象限。分解是这个合成的逆,所以你也能把一个力按想要的两个方向重新拆开。当这个合力变成零的特殊情形,也就是所有力完全抵消、点不动的状态,正是下一讲的主题:质点的平衡。
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