的动态平衡是其中移动物体理想地表示为当它的运动是直线的均匀在于粒子的状态。当抵消作用在其上的外力之和时,会发生此现象。
人们通常认为,如果在物体上没有力或合力,则唯一可能的后果就是休息。或为了使身体保持平衡,也必须没有作用力。
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图1.如果这只猫以恒定速度运动,它将以动态平衡运动。资料来源:
实际上,平衡就是没有加速度,因此恒速是完全可能的。图中的猫可能没有加速就在移动。
匀速圆周运动的物体不是动态平衡的。尽管它的速度是恒定的,但是有一个指向圆周中心的加速度使它保持在路径上。该加速度负责适当地改变速度矢量。
零速度是粒子平衡的一种特殊情况,等同于确认对象处于静止状态。
对于将对象视为粒子,这是描述对象的整体运动时非常有用的理想化方法。实际上,围绕我们的运动物体是由大量的粒子组成的,需要对其进行单独研究会很麻烦。
叠加原理
该原理允许用称为合力FR或净力FN的等效项代替在对象上的多个力的作用,在这种情况下为空:
F1 + F2 + F3 +…。= FR = 0
力F1,F2,F3….,Fi是作用在身体上的不同力。总和表示法是一种紧凑的表达方式:
只要不平衡的力不干预,物体就可以以恒定的速度无限期地移动,因为只有力才能改变此全景。
根据合力的分量,粒子的动态平衡条件表示为:Fx = 0; Fy = 0; Fz = 0。
旋转和平衡条件
对于粒子模型,条件FR = 0足以保证平衡。但是,考虑到正在研究的移动设备的尺寸时,物体可能会旋转。
旋转运动暗示存在加速度,因此旋转体不处于动态平衡。物体的旋转不仅需要力的参与,而且还需要在适当的位置施加力。
要对此进行检查,可以将一根细细的杆放在无摩擦的表面上,例如冻结表面或高度抛光的镜子或玻璃上。法线在垂直方向上平衡重量,并通过在水平方向上施加两个大小相同的力F1和F2,根据下图所示,可以验证发生的情况:
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图2.无摩擦表面上的杆可能平衡,也可能不平衡,具体取决于力1和2的施加方式。
如果按左图所示使用F1和F2,并且作用力相同,则杆将保持静止。但是,如果按右图所示应用F1和F2,尽管作用线平行,但绕其中心的轴发生顺时针旋转,尽管作用线不同。
在这种情况下,F1和F2构成一对力,或者仅构成一对力。
扭矩或力矩
扭矩的作用是在延伸的物体(例如本例中的杆)上产生旋转。带电的矢量幅度称为转矩或力的力矩。它表示为τ,由下式计算:
τ= rx F
在该表达式中,F是施加的力,r是从旋转轴到该力的施加点的矢量(请参见图2)。τ的方向始终垂直于F和r所在的平面,并且在国际体系中的单位为Nm
例如,根据矢量乘积的规则,F1和F2产生的力矩方向朝向纸张。
尽管力互相抵消,但它们的转矩却没有。结果是显示的旋转。
扩展对象的平衡条件
要保证扩展对象的平衡,必须满足两个条件:
有一个箱子或箱子的重量为16 kg-f,它会以恒定速度沿倾斜平面滑落。楔形的倾斜角度为θ=36º。回答:
a)行李箱以恒定速度滑动所需的动摩擦力大小是多少?
b)动摩擦系数是多少?
c)如果倾斜平面的高度h为3米,则知道树干需要4秒钟才能到达地面,找到树干的下降速度。
解
可以将树干当作颗粒一样对待。因此,力将施加在大约位于其中心的一点上,可以假定其所有质量都集中在该点上。在这一点上将对其进行跟踪。
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图3.下坡滑行和重量分解的车身图(右)。资料来源:自制。
重量W是唯一不落在坐标轴之一上的力,必须分解为两个分量:Wx和Wy。该分解如图所示(图3)。
将权重转移到国际系统的单位也很方便,为此,乘以9.8即可:
Wy =W。cosθ= 16 x 9.8 x cos36ºN = 126.9 N
Wx = W.sinθ= 16 x 9.8 x sin36º= 92.2 N
A段
沿着水平轴的是重量Wx的水平分量以及与运动相对的动摩擦力或动摩擦力fk。
通过选择运动方向上的正方向,很容易看出Wx导致了下坡。而且由于摩擦是相反的,因此滑块无法快速滑动,而是有可能在下坡时以恒定速度滑动。
第一个平衡条件就足够了,因为我们将躯干视为粒子,因此在声明中可以保证它处于动态平衡中:
Wx-fk = 0(水平方向无加速度)
fk = 92.2牛
b部分
动摩擦的大小是恒定的,并由fk =μkN给出。这意味着动摩擦的力与法线成正比,而其大小必须知道摩擦系数。
观察自由体图,我们可以看到在垂直轴上有法向力N,该力N楔形作用在躯干上并指向上方。她与权重Wy的垂直分量保持平衡。选择一种积极意义,并利用牛顿第二定律和均衡条件得出:
N-Wy = 0(沿垂直轴没有移动)
从而:
N = Wy = 126.9 N
fk =μkN
μk= fk / N = 92.2 /126.9= 0.73
C区
行李箱从楔形顶部到地面的总距离可通过三角法求出:
d = h / sin36º= 3 / sin36ºm = 5.1 m。
要计算速度,请使用均匀直线运动的定义:
v = d / t = 5.1 m / 4 s = 1.3 m / s
参考文献
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