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表示力對物體産生轉動效應的物理量,數值上等於力和力臂的乘積。 |
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使物體轉動時力和力臂的乘積 |
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在物理學裏,力矩可以被想象為一個旋轉力或角力,導致出旋轉運動的改變。這個力定義為綫型力乘以徑長。 依照國際單位製,力矩的單位是牛頓-米。而依照英製單位,測量的單位則為英尺-鎊。力矩希臘字母是 tau。 |
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力矩又稱為轉矩。力矩的概念,起源於阿基米德對杠桿的研究。 |
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力矩(torque):力(f)和力臂(l)的乘積(m)。即:m=f·l。其中l是從轉動軸到力的矢量, f是矢量力。
力矩的量綱是距離×力;與能量的量綱相同。但是力矩通常用牛頓-米,而不是用焦耳作為單位。力矩的單位由力和力臂的單位决定。
力對物體産生轉動作用的物理量。可分為力對軸的矩和力對點的矩。力對軸的矩是力對物體産生繞某一軸轉動作用的物理量。它是代數量,其大小等於力在垂直於該軸的平面上的分力同此分力作用綫到該軸垂直距離的乘積;其正負號用以區別力矩的不同轉嚮,按右手蠃旋定則確定:以右手四指沿分力方向,且掌心面嚮轉軸而握拳,大拇指方向與該軸正嚮一致時取正號,反之則取負號。力對點的矩是力對物體産生繞某一點轉動作用的物理量。它是矢量,等於力作用點位置矢r和力矢f的矢量積。例如 ,用球鉸鏈固定於o點的物體受力f作用,以r表示自o點至f作用點a的位置矢,r和f的夾角為a(見圖)。物體在f作用下 ,繞垂直於r與f組成的平面並通過o點的軸轉動 。轉動作用的大小和轉軸的方向取决於f對o點的矩矢m,m=r×f ;m的大小為rfsina ,方向由右手定則確定 。力矩m 在過矩心o的直角坐標軸上的投影為 mx 、my 、mz 。可以證明 mx 、my 、mz 就是f對x ,y,z軸的矩。力矩的量綱為l2mt -2,其國際製單位為n·m。
例如,3牛頓的力作用在離支點2米的杠桿上的力矩等於1牛頓的力作用在離支點6米的力矩,這裏假設力與杠桿垂直。一般地,力矩可以用矢量叉積定義:
其中r是從轉動軸到力的矢量, f是矢量力。 |
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力矩的量綱是距離乘以力;依照國際單位製,力矩的單位是牛頓-米。雖然牛頓與米的次序,在數學上,是可以變換的。bipm (國際重量測量局) 設定這次序應是牛頓-米,而不是米-牛頓。
依照國際單位製,能量與功量的單位是焦耳,定義為 1 牛頓-米。但是,焦耳不是力矩的單位。因為,能量是力點積距離的標量;而力矩是距離叉積力的偽矢量。當然,量綱相同並不盡是巧合;使 1 牛頓-米的力矩,作用一全轉,需要恰巧 2*pi 焦耳的能量。 |
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當一個物體在靜態平衡時,淨作用力是零,對任何一點的淨力矩也是零。關於二維空間,平衡的要求是:
x,y方向合力均為0,且合力矩為0. |
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力矩是角動量隨時間的導數,就像力是動量隨時間的導數。
剛體的角動量是轉動慣量乘以角速度。 |
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力矩(torque):力(F)和力臂(L)的叉乘(M)。物理學上指使物體轉動的力乘以到轉軸的距離。
即:M=L×F。其中L是從轉動軸到着力點的矢量, F是矢量力;力矩也是矢量。
力矩的量綱是距離×力;與能量的量綱相同。但是力矩通常用牛頓-米,而不是用焦耳作為單位。力矩的單位由力和力臂的單位决定。
力對物體産生轉動作用的物理量。可分為力對軸的矩和力對點的矩。力對軸的矩是力對物體産生繞某一軸轉動作用的物理量。它是代數量,其大小等於力在垂直於該軸的平面上的分力同此分力作用綫到該軸垂直距離的乘積;其正負號用以區別力矩的不同轉嚮,按右手蠃旋定則確定:以右手四指沿分力方向,且掌心面嚮轉軸而握拳,大拇指方向與該軸正嚮一致時取正號,反之則取負號。力對點的矩是力對物體産生繞某一點轉動作用的物理量。它是矢量,等於力作用點位置矢r和力矢F的矢量積。例如 ,用球鉸鏈固定於O點的物體受力F作用,以r表示自O點至F作用點A的位置矢,r和F的夾角為a(見圖)。物體在F作用下 ,繞垂直於r與F組成的平面並通過O點的軸轉動 。轉動作用的大小和轉軸的方向取决於F對O點的矩矢M,M=r×F ;M的大小為rFsina ,方向由右手定則確定 。力矩M 在過矩心O的直角坐標軸上的投影為 Mx 、My 、Mz 。可以證明 Mx 、My 、Mz 就是F對x ,y,z軸的矩。力矩的量綱為L2MT -2,其國際製單位為N·m。
例如,3牛頓的力作用在離支點2米的杠桿上的力矩等於1牛頓的力作用在離支點6米的力矩,這裏假設力與杠桿垂直。一般地,力矩可以用矢量叉積(註意:不是矢量點乘)定義:
其中r是從轉動軸到力的矢量, F是矢量力。 |
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liju
力矩
moment of force
力對物體産生轉動作用的物理量。可以分為力對軸的矩和力對點的矩。
力對軸的矩是力對物體産生繞某一軸轉動作用的物理量,其大小等於力在垂直於該軸的平面上的分量和此分力作用綫到該軸垂直距離的乘積。例如開門時,外力F平行於門軸的分力□不能對門産生轉動作用(圖1力對軸的矩) ,因為這力已被固定軸的約束力(見約束)所平衡。對門能起轉動作用的力是F在垂直於門軸的平面上的分力F□,其數值□□=□cos□。自F的作用點□作垂直於軸的平面П,與軸相交於□點。由實驗得知,力F對物體的轉動作用與□至F□的垂直距離□成正比。□稱為F□對軸的力臂,它等於□sin□,其中□=□□;□是F□與□□的夾角。因此,力□對物體的轉動作用由□cos□□和□sin□□的乘積來確定,這個物理量稱為力F 對軸的矩,它是個代數量。當□=0°和□=90°時,力F對軸的矩最大,因此,要提高轉動效率,作用力F應在軸的垂直平面內,並使其垂直於聯綫□□。如果力F在軸的垂直平面內(圖2在與軸垂直的平面內的力對軸的矩),力對軸的矩為□□ sin□。此量也可用△□□□面積的二倍來表示,其中□□=□。
力對點的矩是力對物體産生繞某一點轉動作用的物理量,等於力作用點位置矢和力矢的矢量積。例如,用球鉸鏈固定於□點的物體受瞬時力F的作用,F的作用點為□,r表示□的位置矢□,r 與F的夾角為□(圖3力對點的矩)。若物體原為靜止,受力F作用後,將沿一垂直於r和F組成的平面並通過□點的瞬時軸轉動。 轉動作用的大小由□□ sin□ 表示。由於瞬時軸有方向性,因此將力F對點□之矩定義為一個矢量,用M表示,即M=r×F。M的正嚮可由右手定則决定 (圖4决定力矩方向的右手定則);M的大小等於以r和F為邊的三角形面積的二倍。
力F對□點的矩M,在過矩心□的直角坐標軸上有三個投影М□、М□、М□。可以證明,М□就是F對□軸的矩(圖5力對點的矩和對通過這點的軸的矩)。
上述力矩概念中的“軸”和“點”都取自實物。但研究力學問題時可以不必考慮這些實物,對空間任何點和綫都可以定義力對點的矩和力對軸的矩。
力矩的常用單位是牛頓·米。
參考書目
爾濱工業大學理論力學教研室編:《理論力學》,上册,人民教育出版社,北京,1981。
(費章惠)
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- n.: couple, moment, moment of forces, the moment of a force
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