引入

为什么吊灯能被两根斜绳稳稳拉住,而换成一根斜绳就会摆动?

为什么斜面上的物体有时静止、有时下滑,分界点在哪里?

三个力平衡时,为什么它们的矢量一定首尾相接闭合成三角形?

受力分析里最容易出错的地方,不是算错,而是漏力或多力。共点力的平衡提供了一套检查方法:只要物体静止或匀速运动,所有力的矢量和必须为零,少一个力、多一个力都会立刻暴露。

正文

定义

共点力是作用线交于同一点的力。物体在共点力作用下处于平衡状态(静止或匀速直线运动)时,合力为零:

平衡的条件

矢量式:

分量式(直角坐标系):

二维问题只有两个独立方程,所以最多能解两个未知量。这是判断“题目条件是否够用”的快速方法。

平衡类型条件特征
共点力平衡合力为零力的作用线交于一点
力矩平衡合力矩为零有固定转轴
一般平衡合力、合力矩均为零刚体的完整平衡条件

高中学的“共点力平衡”只要求合力为零,不涉及转动。

二力平衡与三力平衡

二力平衡:两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。

三力平衡:三个力的合力为零,等价于其中任意两个力的合力与第三个力等大反向。

三力平衡的几何特征:

特征含义
矢量三角形闭合三力首尾相接构成闭合三角形
作用线共点三个力的作用线必交于一点(否则会有力矩)
正弦定理可用力与对角的正弦成正比

三力平衡常用矢量三角形法:把三个力平移成闭合三角形,用正弦定理或相似三角形求解,比正交分解更快。

受力分析的顺序

1. 确定研究对象(单个物体或整体)
2. 画重力
3. 画接触力:弹力、摩擦力
4. 画其他力:电场力、磁场力、浮力等
5. 检查每个力都有施力物体

第 5 步是防错关键。找不到施力物体的力不存在,常见的“向心力”“离心力”“惯性力”都属于不能直接画的类型(惯性力只在非惯性系中作为等效手段引入)。

常用方法

方法适用做法
正交分解力较多、方向杂乱建坐标轴,分解后列两个方程
矢量三角形三力平衡平移成闭合三角形,用几何关系
相似三角形力三角形与几何三角形相似用对应边成比例
整体法与隔离法多物体系统求外力用整体,求内力用隔离

建坐标轴的原则是让尽量多的力落在轴上。斜面问题沿斜面建轴,悬挂问题沿绳方向建轴。

动态平衡

物体缓慢移动时,可以认为每一时刻都处于平衡。这类问题的典型做法:

方法适用
解析法力与角度有明确函数关系
图解法一个力大小方向不变、一个力方向不变
相似三角形力三角形与空间几何三角形相似

图解法的关键在于判断哪个力“定”、哪个力“转”。例如绳子缓慢放长时,拉力方向变化,但重力不变,可以用矢量三角形直接看出拉力的变化趋势。

常见误区

错误说法问题
“平衡就是速度为零”匀速直线运动也是平衡
“合力为零就没有力”是各力相互抵消
“摩擦力一定阻碍运动”静摩擦可以是动力
“三力平衡时三力等大”只有对称情形才等大

引出

为什么三力平衡时作用线必须共点?如果不共点会怎样?

动态平衡中,如何判断某个力是先增大后减小,还是单调变化?

整体法求出的“外力”包含哪些力?为什么内力不出现?