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第一节力矩和角动量
【知识要点】一、力矩的定义1.对轴的力矩
对轴的力矩可推动物体绕轴转动或改变物体绕轴转动的角速度.力矩的大小不仅与力的大小和方向有关,而且与力的作用点有关.当力的作用线在垂直于轴的平面(π)上时(图5-1-1),力矩τ的大小与力的作用点P和轴的距离ρ成正比,与力在垂直
于ρ方向上的分量F
φ
成正比,因为力在ρ方向上的分量F
ρ
对物体的绕轴转动无作
用,于是有
τ=ρF=Fρsinθ (5.1-1)
φ
式中θ是F与ρ的夹角,ρ就是从轴与平面π的交点O指向P点的矢量,由于在力矩作用下引起的转动有两个可能的方向,力矩也有正、负两种取向.例如,先任意规定轴的正方向,当逆着轴的正方向去看力矩作用下所引起的物体的转动时,若物体沿逆时针方向转动,对应的力矩就取为正,反之为负.由于ρsinθ=d就是力的作用线与轴的距离,(5.1-1)式又可写成
τ=Fd (5.1-1a)
d常称为力臂,这正是大家所熟知的力矩表达式.
当力的作用线不在垂直于轴的平面(π)上时,可将力
F分解为平行于轴的分量F和垂直于轴的分量F两
∥ ⊥
部分,其中F对物体绕轴转动不起作用,而F就是
// ⊥
在垂直于轴的平面(π)上的投影,故这时F对轴的力矩可写成
τ=ρFsinθ (5.1-1b)
⊥
这里的θ是F
⊥
与ρ的夹角(图5-1-2).
2.对参考点的力矩
可将上述对轴的力矩的概念推广到对点的力矩.在选定的参照系中,从参考点0指向力的作用点P的矢量r与作用力F的矢积称为作用力对于参考点0的力矩,即
Τ=r×F (5-1-2)
r也可称为作用点相对参考点的位矢.当参考点是坐标原点时,r就是力的作用点的位矢.根据矢积的意义,力矩的大小等于以r和F两矢量为邻边所构成的平行四边形的面积,方向与r、F所在平面垂直并与r、F成右手螺旋。
二、作用于质点的力矩和作用于质点系的力矩
作用于质点的力矩
当质点m受力F作用时,F对参考点〇的力矩即为质点受到的力矩,这时力矩表达式(5.1-2)中的r就是参考点指质点的矢量,当参考点为坐标原点时,r就是质点的
位矢.当质点受F
、F、…、F
N个力同时作用时,诸力对某参考点的力矩的矢量和
1 2 N
等
于合力F=F
+F+…+F
对同一参考点的力矩,即
1 2 N
r×F
1
+r×F
2
+…+r×F=r×(F
N 1
+F+…+F
2
)=r×F (5.1-3)
N
作用于质点系的力矩
力矩概念也可应用于作用于质点系上的作用力.一般讲来,质点系内各质点受到的作用力有外力和内力的区别,因此应分别考察外力的力矩和内力的力矩
外力的力矩
当质点系受多个外力作用时,若第i个质点受到的合外力为F
i
,该质点相对某一给
定参考点的位矢为r
则其力矩为τ
=r×F
,各质点所受力矩的矢量和,即质点
系所受的总力矩为?
i,
???
外 i外
i外 i i
??r?F
i i
(5.1-4)
i i
由于各外力作用在不同质点上,各质点的位矢r
i
各不相同,因而外力对质点系的总
力矩一般不能通过外力矢量和的力矩来计算.
但当质点系处在重力场中时,各质点所受重力与质点的质量成正比,方向又都相同,因而作用于质点系的重力相对某一参考点的力矩,根据(5.1-4)式为
? ??r?mg?(?mr)?g?r
?Mg (5.1-5)
重力 i i ii C
i i
即作用于质点系的重力相对某参考点的力矩等于重力的矢量和作用于质心上时对该参考点的力矩.在平动非惯性系中的惯性力显然也具有这种性质.
内力的力矩
若f为作用于质点系中第i个质点上的合内力,r
i i
为该质点的位矢,则内力的总力
矩为
由于内力总是成对出现,因而上式可写成?
内
?? (r?f
i ji
i?j
r?f)
j ij
根据牛顿第三定律(强形式),任一对内力f和f
ji ij
必定等值反向,且沿同一直线,
因而对任一给定参考点O来说,力矩也必等值反向,两者相互抵消,即
因而内力的总力矩为零?
内
?? (r?f
i ji
i?j
r?f
j ij
)?0 (5.1-6)
这一结果与内力的冲量相似,但与内力的功不同.三、 冲量矩
在明确了力矩的概念以后,可引出冲量矩的概念.
?L???t?(?
外
??)?t?(?
内 外
?0)?t??
?t (5.1-7)
外
此式对质点系适用.
若对质点只需把?
外
改为
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