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浅谈力矩原理与简单应用
我要投稿 论文查重 时间:2018-05-25 来源:现代经济信息
摘  要:在经典力学中,力矩一直是一个非常重要的物理量,它描述了一个物体的运动状态。运动状态又分为平动和转动,而力矩就是为了更好的描述一个物体的转动效应而引入的物理量。因此对力矩的深入理解就显得尤为重要。下面将从力矩的历史入手,对其概念进行分析,简述力矩的物理
关 键 词:历史;力矩;概念;工具
作  者:王顶族 郭桥雨 赵文
单  位: 河北农业大学
正  文:

 1 力矩的由来
    1.1“力矩”最初的表象
在很早的时候,人们就开始对一个物体的转动进行了分析与研究,当时的人们发现只要让一个物体切向受力,那么该物体便会转动。在古代战争中,就是通过这个现象发明出了抛石机。古希腊哲学家亚里士多德曾经就研究过杠杆原理。阿基米德更是说过“给我一个支点,我能撑起整个地球”。可见人们都对“力矩”有着一定的理解,但是谁也没有定义“力矩”这样一个物理量。
    1.2“力矩”一词的产生
在西方最早期,伽利略的《关于两个新科学的对话》一书中提到了关于长度与重量的名词,大概意思为“当支点一端物体的重量与其距离支点的长度的乘积增加时,若想保持静止,则另一端必须与其乘积的数值相等”,但是他也没有定义一个物理量来描述这个现象。直到卡特在1830年发表的《力学》中才引入了“力矩”,大概意思“为一个物体的转动并非完全由作用它上面的力所决定,还与力到物体中心的垂直距离有关,并且称这以上两项乘积为“力矩”。至此,力矩这一物理量便被引入用来解决物体的转动问题。
    2 对力矩概念的阐述
    2.1力矩的定义
力矩是力对物体产生转动作用的物理量,其大小为径向矢量与作用力的叉积,即M=L×F。其中L是转动轴或支点到着力点的距离矢量,F是矢量力,因此力矩也是矢量。矢量既有大小又有方向,一般规定:使物体有沿逆时针转动趋势的力矩为正,使物体有沿顺时针方向转动的趋势的力矩为负。这种规定是采用了右手螺旋定则。
    2.2 力矩的概念
若对一个物理量有一个深入的理解,首先要清楚其概念,即对该物理量有一个感知。例如,对于速度来说,其定义是距离在时间上的变化率。也就是说当知道一个物体的速度很大时在我们的大脑中马上就可以反应出这个物体运动的很快,这就代表着我们对速度有一个概念和认知。用同样的方法分析力矩,力矩是改变一个物体转动状态的物理量,也就是说一个物体转动状态改变的越快其所受到的力矩也就越大。我们便可以通过一个物体转动状态改变的快慢程度来理解和感知力矩,既力矩的大小可以理解为一个物体转速随时间的变化率。
    3 力矩的应用
    力矩描述了生活中的转动现象,因此人们应用力矩原理制造发明了许多可以方便人类进行生活生产的工具。力矩也经常被用于机械制造、建筑建造、工业生产等方面。生活中经常用到的杠杆原理的本质也就是力矩问题,下面仅仅介绍几种应用力矩原理制造的简单小工具。
    3.1杠杆
    这里的杠杆不是特指这一种工具,而是应用杠杆原理所制造出来的一些小工具。杠杆原来是指:在不考虑杠杆本身重量和不考虑一切摩擦力的情况下,若想保持杠杆静止不动,杠杆两端重物的质量与其到杠杆支点处乘积的值,即力矩必须相等。对于这个原理可以用能量守恒定律来加以解释,因为将一个物体升高到一定的高度做的功是定值,而功又等于矢量力乘以物体的位移矢量。对于旋转问题而言,物体到支点的距离正比与物体因转动而产生的位移。以船桨为例来进行简单的说明。船桨手握处的力臂长度小于划水处的力臂长度,因此手移动的距离比船桨在水中部分移动的距离会短一些,从而实现在船中人划船的动作幅度很小,然而船前进的距离却很大。当然这就必须以作用力为代价了,即人手对船桨的作用力会大于船桨对水的作用力,这就运用了杠杆原理。
    3.2动滑轮
    当向上提重物的,为了使重物的重量在人们可承受的范围之内,就可以通过增加一个动滑轮将动滑轮作为一个杠杆来应用力矩原理来减少所需拉力的大小。这里需要注意的是动滑轮起到了杠杆的作用,其中动力臂臂长是阻力臂臂长的二倍(这里特指悬挂重物的线与地面垂直且与拉力端和固定端的线平行)。原因也很简单,因为将动滑轮看作是杠杆其支点并不处于滑轮的中心,而是在与固定端相连接的线相切处。这样阻力臂臂长就是一倍的滑轮半径而动力臂臂长是二倍的滑轮半径。因此动力就是阻力的二分之一,同时动力端施力物体移动的距离是阻力端施力物体移动距离的二倍。这样就可以使人们更容易的提起重物。与船桨的例子相反。即减少了拉力,那么就要多移动距离为代价。
    3.3常见工具
    旋转门,众所周知旋转门是绕轴转动的,若想使门旋转,仅仅依靠力是无法实现的。试想,开关门时若将力作用在轴的附近,会很难使门进行旋转,只有将力作用于门把手附近才可以轻松的将门打开。这就是因为旋转问题不仅仅与力有关还与力到物体中心垂直距离有关,既旋转问题需要用力矩解决。
扳手,在日常生活中常常会通过螺丝等细小的工具来固定一些物体,不过螺丝,螺钉等物体体积很小,即便是将力作用在其边界上也很难使其旋转来固定物体。因此,利用力矩原理,既使一个物体旋转与作用力和力到物体中心的垂直距离都有关系。当使物体旋转所需要的力矩确定时,可以通过增加距离来省下力。就这是使用扳手时,虽然转的圈比螺丝大但是用的力很小的原因。
    4 结语
力矩在经典物理学中占有很重要的地位,经常用来描述一个物体的转动状态,是解决物理中物体转动的最基本的物理量,通过力矩还引入了许多关于转动的物理量。力矩和力两者一起描述了我们这个宏观世界所有物体的运动状态,同时力矩也为关于转动物体的能量问题的解决提供了途径。在生活中应用力矩原理也可以为我们平时的生活生产提供更好的途径方法,就如同船桨和动滑轮的设计一样,我们生活中应用力矩原理巧妙的解决一些生化问题的例子比比皆是。因此,对力矩的概念的深入理解和对其在实际生活中的感知可以帮助我们更好的解决和转动相关的实际问题。

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