的平移平衡是其中一个对象作为一个整体是当作用在其上的所有的力抵消,从而作为结果的净力为零的状态。从数学上讲,它等于说F 1 + F 2 + F 3 +…。= 0,其中F 1,F 2,F 3 …是所涉及的力。
身体处于平移平衡的事实并不意味着它必然处于静止状态。这是上面给出的定义的一种特殊情况。物体可能正在运动,但是在没有加速度的情况下,这将是均匀的直线运动。
图1.平移平衡对于许多运动很重要。资料来源:
因此,如果身体处于静止状态,它会像这样继续。如果它已经运动了,它将具有恒定的速度。通常,任何对象的运动都是平移和旋转的组合。平移可以如图2所示:线性或曲线。
但是,如果对象的点之一是固定的,那么它必须移动的唯一机会就是旋转。CD的一个例子就是它的中心是固定的。CD可以绕经过该点的轴旋转,但不能平移。
当对象具有固定点或在表面上受支撑时,我们称之为链接。链接通过限制对象能够进行的移动来进行交互。
确定翻译平衡
对于处于平衡状态的粒子,确保以下各项是有效的:
F R = 0
或以总和表示法:
显然,要使物体处于平移平衡状态,必须以某种方式补偿作用在该物体上的力,以使它们的合力为零。
这样,物体将不会经历加速,并且其所有粒子处于静止状态或以恒定速度进行直线平移。
现在,如果对象可以旋转,它们通常会旋转。这就是为什么大多数运动都包含平移和旋转的组合。
旋转物体
当旋转平衡很重要时,可能有必要确保物体不旋转。因此,您必须研究是否有扭矩或力矩作用于其上。
扭矩是旋转所依赖的矢量幅度。它需要施加力,但是施加力的点也很重要。为了阐明这一点,请考虑作用力F的扩展对象,让我们看看它是否能够绕某个轴O旋转。
已经知道,通过用力F在P点推动物体,可以使其绕O点逆时针旋转。但是施加力的方向也很重要。例如,在中间施加到图形上的力不会使对象旋转,尽管它当然可以移动它。
图2.在大物体上施加力的各种方法,仅在图的最左端获得旋转效果。资料来源:自制。
直接对点O施加力也不会使对象旋转。因此很明显,要获得旋转效果,必须在距旋转轴一定距离的位置施加力,并且作用力不得通过该轴。
扭矩定义
力的转矩或力矩,以τ表示,负责将所有这些事实放在一起的矢量大小,定义为:
向量r从旋转轴指向力的施加点,r和F之间的角度的参与很重要。因此,扭矩的大小表示为:
当r和F垂直时,会产生最有效的转矩。
现在,如果希望不旋转或以恒定的角加速度进行旋转,则作用在物体上的扭矩之和必须为零,这与考虑到的力类似:
平衡条件
平衡意味着稳定,和谐与平衡。为了使对象具有这些特征,必须使用前面几节中描述的条件:
1)F 1 + F 2 + F 3 +…。= 0
2)τ 1 +τ 2 +τ 3 +…。= 0
第一个条件保证平移平衡,第二个条件保证旋转平衡。如果物体要保持静态平衡(没有任何形式的运动),则必须同时满足这两个条件。
应用领域
平衡条件适用于许多结构,因为在建造建筑物或各种物体时,其目的是使它们的零件彼此保持在相同的相对位置。换句话说,对象不会散开。
例如,在建造牢固固定在脚下的桥梁时,或者在设计不会改变位置或倾翻倾向的可居住结构时,这一点很重要。
尽管人们认为均匀的直线运动是运动的极端简化,这在自然界中很少发生,但是必须记住,真空中的光速是恒定的,空气中的声速也是恒定的,如果考虑介质均匀。
在许多人造移动结构中,保持恒定速度非常重要:例如,在自动扶梯和装配线上。
例子
这是使灯泡保持平衡的经典张力练习。已知该灯重15公斤。找到将其保持在该位置所需的应力大小。
图3.通过应用平移平衡条件来保证灯的平衡。资料来源:自制。
解
为了解决这个问题,我们专注于三根弦相交的结。上图中显示了节点和灯的各自的自由图。
灯的重量为W = 5 Kg。9.8 m / s 2 = 49N。要使灯处于平衡状态,只要满足第一个平衡条件即可:
电压T 1和T 2必须分解:
它是由两个具有两个未知数的方程组成的系统,其答案是:T 1 = 24.5 N和T 2 = 42.4N。
参考文献
- Rex,A.,2011年。《物理学基础》。皮尔森 76-90。
- Serway,R.,Jewett,J。(2008)。科学与工程物理。卷1. 7 英里。Ed。Cengage学习。120-124。
- Serway,R.,Vulle,C.,2011年。《物理学基础》。9 na Ed。Cengage学习。99-112。
- Tippens,P。2011。《物理:概念与应用》。第7版。麦格劳山。71-87。
- Walker,J.,2010年。《物理学》。艾迪生·韦斯利(Addison Wesley)。332 -346。