(完整版)力与力矩
教案：第一讲(力矩和力矩平衡)doc
2014级高一物理竞赛培训第一讲力矩和力矩平衡 （两课时）高一物理组 郭金朋一：力矩的概念力矩是改变转动物体的运动状态变化的物理量，门、窗等转动物体从静止状态变为转动状态或从转动状态变为静止状态时，必须受到力的作用。
但是，我们若将力作用在门、窗的转轴上，则无论施加多大的力都不会改变其转动状态，可见物体的转动运动状态的变化不仅与力的大小有关，还与受力的方向、力的作用点有关。
力的作用点离转轴越远，力的方向与转轴所在平面越趋于垂直，力使转动物体运动状态变化得就越明显。
在物理学中力对转动物体运动状态变化的影响，用力矩这个物理量来表示，因此，力矩被定义为力与力臂的乘积。
力矩概括了影响转动物体运动状态变化的所有规律，力矩是改变转动物体运动状态的物理量。
力矩是表示力对物体产生转动作用的物理量，是物体转动转动状态改变的原因。
它等于力和力臂的乘积。
表达式为：M=FL ，其中力臂L 是转动轴到F 的力线的（垂直）距离。
单位：Nm 效果：可以改变转动物体运动状态。
转轴： 物体转动时，物体上的各点都沿圆周运动，圆周的中心在同一条直线上，这条直线就叫转轴。
特点：1，体中始终保持不动的直线就是转轴。
2，体上轴以外的质元绕轴转动，转动平面与轴垂直且为圆周，圆心在轴上。
3，转轴相平行的线上各质元的运动情况完全一样。
大多数情况下物体的转轴是容易明确的，但在有的情况下则需要自己来确定转轴的位置。
如：一根长木棒置于水平地面上，它的两个端点为AB ，现给B 端加一个竖直向上的外力使杆刚好离开地面，求力F 的大小。
在这一问题中，过A 点垂直于杆的水平直线是杆的转轴。
象这样，在解决问题之前，首先要通过分析来确定转轴的问题很多，只有明确转轴，才能计算力矩，进而利用力矩平衡条件。
作用于同一物体的同一力，由于所取转轴的位置不同，该力对轴的力矩大小可能发生相应的变化，对物体产生转动作用的方向（简称“转向”）也可能不同。
例如如右图中的力F ，若以1o 为轴（即对1o 取矩）其力矩为M 1=FL 1，使物体逆时针转，若以2o 为轴（即对2o 取矩）其力矩为M 2=FL 2，使物体顺时针转，由图可知L 1< L 2，故M 1< M 2，且二者反向。
第三章 力矩
攻丝时为什么要两个手施力,用一个手会有 什么不好之处
?
几个性质
(1) 当力线平移时，力的大小、方向都不改变，但附加力
偶的矩的大小与正负一般要随指定O点的位置的不同而不同。
(2) 力线平移的过程是可逆的，由此可得重要结论：
作用在同一平面内的一个力和一个力偶，总可以归纳为
一个和原力大小相等的平行力。 (3) 力线平移定理是把刚体上平面任意力系分解为一个平 面共点力系和一个平面力偶系的依据。
F'R
MO
FR′≠0，MO≠0，且FR′与 MO 不垂直
力螺旋
O
一个力和一个力偶组成的力系，且这个力垂直
于力偶的作用面。这样的力系称为力螺旋。
FR′ MO FR′
MO
(4) 力系平衡 FR′=0，MO = 0
力螺旋
MO O
FR′
z
O
x d M1 y
A
FR″
M 2 M O sin d FR FR
F′ F′ M F B d B A
A
F′′
M Fd M B ( F )
可以把作用于刚体上点A的力F平行移到同一刚体上 的任意点B，但必须同时附加一个力偶，这个附加 力偶的矩等于原来的力F对新作用点B的矩。 物理含义: 力可使物体移动和转动 力的平移定理说明一个力和一个力偶可 以进一步合成为一个力。
( Fx , Fy , Fz ) (100 14,150 14,50 14)
力F矢量对三个坐标轴的矩为： M x ( F ) yFz zFy 3 50 14 0 100 14
150 14( N m) 同理有：M y ( F ) zFx xFz 100 14( N m) M z ( F ) xFy yFx 0( N m) 力F矢量对O之矩为：
力和力矩(课堂PPT)
N=mg=2.0×103×9.8 =1.96×104（N）
f=N=0.30×1.96×104
=5.88×103 （N） F=f=5.88×103 （N）
为了省力，可在车床底座下搁置 一些圆木或钢管，使车床在圆木 或钢管上滚动前进。
22
2.静摩擦力
（1）静摩擦实验
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（2）静摩擦力
当一个物体相对于另一个物体有滑动趋势， 而没有相对滑动时，这个物体将受到另一个物 体的阻碍作用，这时产生的摩擦叫做静摩擦。
选择某一标度，如取10mm长的线段表示10N的力，作出 力的平行四边形，则表示F1的线段长30mm，表示F2的线段长 40mm。
用刻度尺量得表示合力F的对角线长为50mm，所以合力 的大小F=10×50/10=50N。
用角度尺量得合力F与力F1的夹角为53。 整个过程如下页动画所示。
35
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3.多力合成
按力的性质分，有重力、弹力和摩擦力。 按力的作用效果分，有拉力、压力、支持 力、动力、阻力等。
6
二、重力
1.重力 由于地球吸引而使物体受到的力
叫做重力。
重力的方向是竖直向下的。 重力的大小G=mg。
7
例子：苹果成熟从树上落下。
8
2.重心
地球对物体的重 力作用在物体的各个 部分。从效果上看， 我们通常认为整个物 体受到的重力作用在 一个点上，这个点叫 做物体的重心。
平行四边形得
F1=G·sin F2=G·cos
47
§1.3 物体的受力分析
一、牛顿第三定律 二、物体的受力分析
48
一、牛顿第三定律
1.物体间的作用总是相互的
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2.作用力与反作用力
我们把物体间相互作用的这一对力叫做作 用力与反作用力。如果把其中一个力叫做作用 力，那么另一个力就叫反作用力。
学习资料力矩、力偶与力的平移.ppt
l
O
解： （1）由力矩定理计算力矩： d
F Fx Fy
Fy
F
ba
Fx
MO(F) =MO(Fx)+ MO(Fy)=Fy(l+a)+Fxb
=F(lsin+bcos+asin)
优选
4
§2-2 力矩、力偶与力的平移
例2-3已知Fn、、r，
求力 Fn 对于轮心O的力矩。
1
§2-2 力矩、力偶与力的平移
正负号表示两种不同的转向，使物体逆转，正值；顺转，负值
“＋ ”—— 使物体逆时针转时力矩为 正；
“－” —— 使物体顺时针转时力矩 为负。
由力矩的定义可知：
（1）当力的大小等于零或力的作用线通过矩心（力臂
d=0）时，力矩等于零；
（2）当力沿其作用线移动时，力矩不变。
F d
Bx
力矩的符号 MO F
力偶矩的符号 M
O
③同平面两个力偶的等效条件：在同平面内的两个力 偶，如果力偶矩相同(大小相等，转向相同)，则两力 偶彼此等效。(证明从略)
优选
10
§2-2力矩、力偶与力的平移
(a)只要保持力偶矩的大小和转向不变，力偶可以在 作用面内任意移转，不改变对刚体的作用效果。
优选
2
§2-2 力矩、力偶与力的平移
例2-1 已知 a、b、F、，求力F对O点的矩。
解： F Fx Fy
Fx Fcos Fy Fsin
Fy F
MO F MO Fx MO Fy
Fxb Fya
Fbcos Fasin
F asin bcos
oa
力矩基本知识
力矩的定义及表达式
力矩定义为力和力臂的乘积，用公式 表示为：M = F × L，其中M表示力 矩，F表示力，L表示力臂。
力臂是指从转动轴到力的作用线的垂 直距离，力矩的方向根据右手螺旋法 则确定。
力矩与力、力臂关系
力矩与力和力臂成正比关系，即力或力臂增大时，力矩也相 应增大。
当力的作用线通过转动轴时，力臂为零，此时力矩也为零， 表示该力对物体不产生转动效应。
复杂环境下的力矩控制
在复杂环境下（如高温、低温、 真空、辐射等），力矩控制面临 更大的挑战。未来需要研究和发 展适应这些特殊环境的力矩控制 技术。
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力矩与物体的角速度之间存在密切的关系。当力矩作用在物体上时 ，会使物体产生角加速度，从而改变物体的角速度。
转动平衡
当物体受到的合力矩为零时，物体将保持静止或匀速转动状态。此时 ，物体的转动平衡受到力矩的影响。
动力学中力矩应用
刚体动力学
在刚体动力学中，力矩是描述刚体转动状态的重要物理量。通过力矩的分析，可以了解刚 体的转动规律和运动状态。
力矩基本知识
目录
• 力矩概念与定义 • 力矩方向与判断 • 力矩性质与定理 • 力矩计算与应用 • 力矩测量与实验方法 • 力矩在生活与科技中应用
01
CATALOGUE
力矩概念与定义
力矩的物理学意义
01
力矩是描述力的转动效果的物理 量，表示力对物体产生的转动效 应。
02
力矩涉及力的大小、方向和作用 点，对于刚体而言，力矩是改变 其转动状态的原因。
应用场景
力矩平衡条件广泛应用于 解决物体在力作用下的平 衡问题，如桥梁、建筑等 的稳定性分析。
力矩与角动量关系
力矩的计算与平衡条件
力矩的计算与平衡条件力矩（Moment of Force）是物体受力产生转动的物理量，它可以帮助我们理解物体的平衡与稳定性。
在本文中，我们将探讨力矩的计算方法以及在平衡条件下的应用。
一、力矩的计算方法力矩的计算方法可以通过以下公式表示：力矩 = 力的大小 ×力臂的长度其中，力的大小指施加在物体上的作用力的大小，力臂的长度指力作用点到物体转轴的垂直距离。
在力矩的计算过程中，需要注意以下两点：1. 力和力臂的方向应该是垂直的，只有在垂直方向上的力才能产生转动效应；2. 力和力臂的长度应该采用相同的单位进行计算，例如米（m）或者厘米（cm）。
了解了力矩的计算方法后，我们可以进一步深入讨论力矩在平衡条件下的应用。
二、平衡条件下的力矩在静力学中，物体处于平衡状态时，可以应用力矩的平衡条件。
根据力矩的平衡条件，物体在平衡时，合力矩等于零。
合力矩= Σ（力矩1 + 力矩2 + ... + 力矩n） = 0其中，Σ表示力矩的代数和，力矩的正负取决于力的方向与力臂的方向是否一致。
通过力矩的平衡条件，我们可以解决一些力矩平衡问题。
下面通过几个实际案例来说明。
案例一：杠杆平衡考虑一根杠杆在支点处平衡的情况。
假设杠杆长度为L，支点为转轴，左侧施加力F1，右侧施加力F2。
在平衡条件下，我们可以得到以下方程：F1 × L1 = F2 × L2其中，L1和L2分别为力臂的长度。
通过以上方程，我们可以计算出力的大小或者力臂的长度，以满足杠杆平衡。
案例二：天秤平衡再考虑一个天秤平衡的情况。
假设左侧有m1质量的物体，右侧有m2质量的物体，天秤支点到左右两侧物体的距离分别为L1和L2。
在平衡条件下，我们可以得到以下方程：m1 × g × L1 = m2 × g × L2其中，g为重力加速度，约等于9.8米/秒²。
通过以上方程，我们可以计算出物体的质量或者天秤的长度，以满足天秤平衡。
力、力矩和压力
实 0 / n
（2）若取材料许用应力
其中 为屈服极限。则 s
[ ]， s / 3
[ ] E实 F / A
（3）考虑到可能的超载，设超载系数为kn，则最大应力为
截面设计
max kn [ ] s / 3
若为圆柱，则直径d为
A Fmax /(kn )
d 4Fmax
kn
非线性问题：是由截面面积的变化造成应力的非线性，使ΔUo也是非线性的，称为面积
优点：简单易行，可获得很高的测量精度。 (a) 为梁式天平（相对精度高于1/10000的单杠杆叫天平）
，通过调整砝码使指针归零，将被测力Fi与标准质量(砝 码G)的重力进行平衡，直接比较得出被测力Fi的大小。 (b) 为机械杠杆式力平衡装置
说明：力平衡法中的平衡力亦可是已知大小的电磁力或气动力等
伺服式测力系统。无外力作用
a Fmax /max 0.0198m 19.8mm
3.应变式测力仪电路
一般采用电桥电路，有载波调制型和直流电路型。 （由于电桥输出信号小，要求精度高，应选用高增益、低阻抗、小失调的测量
电路，多采用集成模块） 信号调理电路进行缓冲、放大、滤波、压—频转换等。 信号补偿问题：如初始不平衡、零漂、非线性等。
。
正 压 力：绝对压力高于大气压的表压力，常称为压力。
负 压 力：绝对压力低于大气压力时，大气压力与绝对压力 之差。
压力概念图示
表压力p 绝 对 压 力 pa
大气压力pb
p = pa - pb p0 = pb - pa
真空(负压力) p0
绝对压力pa
第二节 力的测量
一、力的测量方法
力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得到
(2) 强度校核：选Cr40作为弹性体材料，则E=2.1×105MPa， σs=785.1MPa，有
建筑力学 第2章 力力矩力偶
图（a)
图（b)
4、作用与反作用定律 两物体间相互作用的力（作用力与反作力） 同时存在，大小相等，作用线相同而指向相反。
这一定律就是牛顿第三定律，不论物体是 静止的或运动着的，这一定律都成立。
与二力平衡区别，作用于两个物体上。
FT FT
P
P
y
y
A
o
B
b1 Fy a1 A
b
x o
Fx
FB
Fy
I
E
D
出各构件的受力图。 P
例 题 1-4
解：
1. 杆 AB 的受力图。
FAB
C
A
B FBA
2. 杆 BC 的受力图。
A
45
H B F
FBy
FCB
C
H
45
B F
FBx
I
E
D
FTH
FTF
B
FBC
P
3. 轮 B (B处为没 有销钉的孔）的受
力图。
例 题 1-4
5. 轮 D 的受力图。 4. 销钉 B 的受力图。
支座特点：允许结构绕A转动，但不能移动。 约束反力：通过铰A的中心，但指向和大小均未知。
5. 可动铰支座 在固定铰支座下面加几个辊轴支承于平面上，就构成可 动铰支座。 支座特点：限制了杆件的竖向位移，但允许结构绕铰作 相对转动，并可沿支座平面方向移动。 约束反力：作用点确定，即通过铰中心并与支承平面相 垂直，但指向未知。
图 a 平行光线照射 下物体的影子
a
图b 力在坐标轴上的投影
a
Fx
b
x
由图b知，若已知力 F 的大小 和其与x轴、y轴的夹角为 ，则力在x、y轴上的投影为 、
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力矩的量纲是距离乘以力；依照国际单位制，力矩的单位是牛顿-米。
虽然牛顿与米的次序，在数学上，是可以变换的。
BIPM (国际重量测量局) 设定这次序应是牛顿-米，而不是米-牛顿。
事实上，力矩与能量的关系是能量和一个对数矢量2π[lnK]的乘积，即
t=2πQ[lnK]，[lnk]的方向垂直于作用平面。
因此用焦耳做单位也不是错误的。
做圆周运动时，K=e，因此使 1 牛顿-米的力矩，作用一全转，需要恰巧 2*Pi 焦耳的能量。
定义
力对物体的作用效应，除移动效应外，还有转动效应。
当然，量纲相同并不尽是巧合；使 1 牛顿-米的力矩，作用一全转，需要恰巧 2*Pi 焦耳的能量。
静力观念
当一个物体在静态平衡时，净作用力是零，对任何一点的净力矩也是零。
关于二维空间，平衡的要求是：
x,y方向合力均为0，且合力矩为0.
力矩电动机
所谓的力矩电动机是一种扁平型多极永磁直流电动机。
其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。
力矩电动机有直流力矩电动机和交流力矩电动机两种。
其中，直流力矩电动机的自感电抗很小，所以响应性很好；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关；它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。
交流力矩电动机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。
一般地，在纺织工业中经常使用交流力矩电动机，其工作原理和结构和单相异步电动机的相同，但是由于鼠笼型转子的电阻较大，所以其机械特性较软。
动力观念
力矩是角动量随时间的导数，就像力是动量随时间的导数。
刚体的角动量是转动惯量乘以角速度。