受力剖析是一个基础,且看似简单似乎很有难度的考点,在这篇文章中,主要介绍的是对物体进行受力剖析中最常用到的方式:力的正交分解。
在小学阶段,我们研究的所有的力,都是基于一维(一条直线)方向的。为此,力的运算很基础。力总是方向相反,或则方向相同的,估算上要么是相乘(方向相同),或则就是加法关系(方向相反)。
而生活生产中的实际情况呢?大部份物体的受力情况很复杂。
研究对象所受的力常常是不在一条直线上的(非一维问题),所以就不能简单的用加减法来求解,这就须要一种新的估算方式。
这就是力的合成与分解的来源。或则说力的正交分解的步骤,力的合成与分解是解决不在一条直线上的力的运算的。
基于力的平行四边形实验的推论,我们有了矢量运算基本法则。这也是正交分解法得以应用的理论基础。之所以用正交分解,而不用其他的分解模式,缘由是垂直座标系的物理运算积累了大量的经验(及三角函数经验),促使这些估算模式愈发的简单。
力的分解运算中,最为常见和考察最多的,就是力的正交分解法。
力的正交分解概念
物体受多个力作用,可将各个力沿两个互相垂直的方向进行正交分解,再沿这两个方向分别求出x与y轴的合力。正交分解法是处理多个力作用用问题的基本技巧,也是最常用的技巧。
力的正交分解是力的分解的特殊情况
从概念来看,力的正交分解,是力的分解的一种特殊情况,是力在两个正交的座标系内进行投影运算的。从估算的根据看,力的正交分解与普通的力的合成与分解,都遵守的是力的平行四边形定则。
正交分解法座标系方向规定
受力剖析的问题,大多数都是要采用正交分解法来求解估算的。受力剖析正交座标系完善的优先考虑原则是:
x轴方向规定:物体运动方向,或运动趋势的方向。
y轴方向规定:垂直物体运动的方向,或垂直其运动趋势的方向。
最后,电梯的问题,通常是x轴为水平轴,y轴为数值轴。这是王尚老师的解题经验,小学数学只有这样一个特殊案例。
正交分解法使用步骤
(1)构建正交座标系
正确选择直角座标系,通常,选共点力(研究物体的质点)的作用点为原点。
(2)正交分解估算。即分别借助三角函数正正切关系,把各力在正交的座标轴上投影,分别求出座标轴上的合力。
X轴方向
Fx=F1x+F2x+…+Fnx
Y轴方向
Fy=F1y+F2y+…+Fny
物体所受的共点力合力的大小为F=√Fx2=Fy2(根号下是Fx的平方加上Fy的平方),合力方向(通常用F合与x轴的倾角来表示)可由平行四边形法则或则三角形法则求得。
接出来的事儿,就是辅助牛顿三大定理、直线运动公式,或则机械能、动量等相关的知识进行估算了。力的正交分解步骤,就到此为止。
为何进行正交分解?
为何要对力进行正交分解呢?由于我们物理学习了座标系的概念,在两个垂直的座标轴上进行力的运算就有了物理根据。还有,就是三角函数知识力的正交分解的步骤,也为力的正交分解(投影估算)提供了便利和理论支撑。
力的分解,是受力剖析中十分重要的一步,也是接出来利用牛顿三大定理和其他知识点,对物体的动力学行为和能量问题进行剖析的前提。
本文就给朋友们整理那些内容,受力剖析是数学学中十分重要的考点,力的正交分解是解决受力问题的重要工具与技巧。
不仅在正交座标系内进行力的分解外,力的封闭三角形法则也是一个补充受力剖析手段。