04 · 力的合成与分解
合力与分力的等效替代思想
- 等效替代:如果一个力作用在物体上产生的效果,跟几个力共同作用在物体上产生的效果完全相同,那么这个力就叫作那几个力的合力,那几个力叫作这个力的分力。
- 力的合成:求几个力的合力的过程。
- 力的分解:求一个已知力的分力的过程(力的合成的逆运算)。
平行四边形定则与三角形定则
在物理学中,所有矢量的合成与分解都遵守平行四边形定则:
图 2.4-1 力的平行四边形定则:共点分力 F₁、F₂ 为邻边,对角线即代表合力 F 的大小与方向
1. 定则表述
两个力合成时,以表示这两个力的线段为邻边作平行四边形,这两个邻边之间的对角线就表示合力的大小和方向。
2. 合力大小的数学计算与极值范围
设两分力大小分别为
- 夹角
(同向共线):合力最大, ; - 夹角
(反向共线):合力最小, ; - 夹角
(相互垂直): ; - 夹角增大,合力减小:在两分力大小不变的前提下,随着夹角
从 增大到 ,合力 单调减小。 - 合力取值区间:
力的正交分解法(高频通用计算算法)
正交分解是将物体受到的多个不在同一直线上的共点力,投影分解到两个互相垂直的坐标轴上,化多维问题为一维代数和:
1. 建立坐标轴的黄金原则
- 尽量让最多的力落在坐标轴上,减少需要分解的力的个数;
- 在动力学问题中,通常以加速度
的方向(或运动方向)为 轴正方向, 轴垂直于加速度方向(此时 )。
2. 正交分解计算标准范式
将各力分别向
分别求出
求总合力大小与方向:
- 在平衡状态下: