受力剖析是一個基礎,且看似簡單似乎很有難度的考點,在這篇文章中,主要介紹的是對物體進行受力剖析中最常用到的方式:力的正交分解。
在小學階段,我們研究的所有的力,都是基于一維(一條直線)方向的。為此,力的運算很基礎。力總是方向相反,或則方向相同的,估算上要么是相乘(方向相同),或則就是加法關系(方向相反)。
而生活生產中的實際情況呢?大部份物體的受力情況很復雜。
研究對象所受的力常常是不在一條直線上的(非一維問題),所以就不能簡單的用加減法來求解,這就須要一種新的估算方式。
這就是力的合成與分解的來源。或則說力的正交分解的步驟,力的合成與分解是解決不在一條直線上的力的運算的。
基于力的平行四邊形實驗的推論,我們有了矢量運算基本法則。這也是正交分解法得以應用的理論基礎。之所以用正交分解,而不用其他的分解模式,緣由是垂直座標系的物理運算積累了大量的經驗(及三角函數經驗),促使這些估算模式愈發的簡單。
力的分解運算中,最為常見和考察最多的,就是力的正交分解法。
力的正交分解概念
物體受多個力作用,可將各個力沿兩個互相垂直的方向進行正交分解,再沿這兩個方向分別求出x與y軸的合力。正交分解法是處理多個力作用用問題的基本技巧,也是最常用的技巧。
力的正交分解是力的分解的特殊情況
從概念來看,力的正交分解,是力的分解的一種特殊情況,是力在兩個正交的座標系內進行投影運算的。從估算的根據看,力的正交分解與普通的力的合成與分解,都遵守的是力的平行四邊形定則。
正交分解法座標系方向規定
受力剖析的問題,大多數都是要采用正交分解法來求解估算的。受力剖析正交座標系完善的優先考慮原則是:
x軸方向規定:物體運動方向,或運動趨勢的方向。
y軸方向規定:垂直物體運動的方向,或垂直其運動趨勢的方向。
最后,電梯的問題,通常是x軸為水平軸,y軸為數值軸。這是王尚老師的解題經驗,小學數學只有這樣一個特殊案例。
正交分解法使用步驟
(1)構建正交座標系
正確選擇直角座標系,通常,選共點力(研究物體的質點)的作用點為原點。
(2)正交分解估算。即分別借助三角函數正正切關系,把各力在正交的座標軸上投影,分別求出座標軸上的合力。
X軸方向
Fx=F1x+F2x+…+Fnx
Y軸方向
Fy=F1y+F2y+…+Fny
物體所受的共點力合力的大小為F=√Fx2=Fy2(根號下是Fx的平方加上Fy的平方),合力方向(通常用F合與x軸的傾角來表示)可由平行四邊形法則或則三角形法則求得。
接出來的事兒,就是輔助牛頓三大定理、直線運動公式,或則機械能、動量等相關的知識進行估算了。力的正交分解步驟,就到此為止。
為何進行正交分解?
為何要對力進行正交分解呢?由于我們物理學習了座標系的概念,在兩個垂直的座標軸上進行力的運算就有了物理根據。還有,就是三角函數知識力的正交分解的步驟,也為力的正交分解(投影估算)提供了便利和理論支撐。
力的分解,是受力剖析中十分重要的一步,也是接出來利用牛頓三大定理和其他知識點,對物體的動力學行為和能量問題進行剖析的前提。
本文就給朋友們整理那些內容,受力剖析是數學學中十分重要的考點,力的正交分解是解決受力問題的重要工具與技巧。
不僅在正交座標系內進行力的分解外,力的封閉三角形法則也是一個補充受力剖析手段。