力矩

力矩

力矩在物理學裏是指作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向。力矩的單位是牛頓-米。力矩希臘字母是 tau。力矩的概念,起源于阿基米德對杠桿的研究。轉動力矩又稱為轉矩或扭矩。力矩能夠使物體改變其旋轉運動。推擠或拖拉涉及到作用力 ,而扭轉則涉及到力矩。力矩等于徑向矢量作用力的叉積。

英文解釋:The tendency of a force to make an object rotate.

  • 中文名稱
    力矩
  • 外文名稱
    torque

定義

力矩 (moment of force) 力對物體產生轉動作用的物理量。可以分為力對軸的矩和力對點的矩。即:M=LxF。其中L是從轉動軸到著力點的距離矢量, F是矢量力;力矩也是矢量。

力對軸的矩是力對物體產生繞某一軸轉動作用的物理量,其大小等于力在垂直于該軸的平面上的分量和此分力作用線到該軸垂直距離的乘積。例如開門時,外力F平行于門軸的分力FП不能對門產生轉動作用(圖1),因為這力已被固定軸的約束力(見約束)所平衡。對門能起轉動作用的力是F在垂直于門軸的平面上的分力F⊥,其數值F⊥=Fcosα。自F的作用點A作垂直于軸的平面П,與軸相交于O點。由實驗得知,力F對物體的轉動作用與O至F⊥的垂直距離l成正比。l稱為F⊥對軸的力臂,它等于rsinβ,其中r=OA;β是F⊥與OA的夾角。因此,力F對物體的轉動作用由Fcosα和rsinβ的乘積來確定,這個物理量稱為力F對軸的矩,它是個代數量。當α=0°和β=90°時,力F對軸的矩最大,因此,要提高轉動效率,作用力F應在軸的垂直平面內,並使其垂直于聯線OA。如果力F在軸的垂直平面內(圖2),力對軸的矩為rFsinβ。此量也可用△OAB面積的二倍來表示,其中AB=F。

力矩

力對點的矩是力對物體產生繞某-點轉動作用的物理量,等于力作用點位置矢和力矢的矢量積。例如,用球鉸鏈固定于O點的物體受瞬時力F的作用,F的作用點為A,r表示A的位置矢,r與F的夾角為α(圖3)。若物體原為靜止,受力F作用後,將沿一垂直于r和F組成的平面並通過O點的瞬時軸轉動。轉動作用的大小由rFsinα表示。由于瞬時軸有方向性,因此將力F對點O之矩定義為一個矢量,用M表示,即M=r×F。M的正向可由右手定則決定(圖4);M的大小等于以r和F為邊的三角形面積的二倍。

力矩

力F對O點的矩M,在過矩心O的直角坐標軸上有三個投影Mx、My、Mz。可以證明,Mz就是F對z軸的矩(圖5)。

上述力矩概念中的"軸"和"點"都取自實物。但研究力學問題時可以不必考慮這些實物,對空間任何點和線都可以定義力對點的矩和力對軸的矩。

力矩的量綱是力×距離;與能量的量綱相同。但是力矩通常用牛頓

力矩

-米,而不是用焦耳作為單位。力矩的單位由力和力臂的單位決定。

力矩

性質

1.力F對點O的矩,不僅決定于力的大小,同時與矩心的位置有關。矩心的位置不同,力矩隨之不同;

2.當力的大小為零或力臂為零時,則力矩為零;

3.力沿其作用線移動時,因為力的大小、方向和力臂均沒有改變,所以,力矩不變。

4.相互平衡的兩個力對同一點的矩的代數和等于零。

單位

單位變換

力矩的量綱是距離乘以;依照國際單位製,力矩的單位是牛頓-米。雖然牛頓與米的次序,在數學上,是可以變換的。BIPM (國際重量測量局) 設定這次序應是牛頓-米,而不是米-牛頓。

國際單位製

依照國際單位製能量的單位是焦耳,定義為 1 牛頓-米。但是,焦耳不是力矩的單位。因為,能量是力點積距離的標量;而力矩是距離叉積力的偽矢量。當然,量綱相同並不僅是巧合;使 1 牛頓-米的力矩,作用一全轉,需要恰巧 2*Pi 焦耳的能量。

爭議

事實上,力矩與能量的關系是能量和一個對數矢量2π[lnK]的乘積,即t=2πQ[lnK],[lnk]的方向垂直于作用平面。因此用焦耳做單位也不是錯誤的。做圓周運動時,K=e,因此使 1 牛頓-米的力矩,作用一全轉,需要恰巧 2*Pi 焦耳的能量。

觀念介紹

靜力

當一個物體在靜態平衡時,靜作用力是零,對任何一點的凈力矩也是零。關于二維空間,平衡的要求是:

x,y方向合力均為0,且合力矩為0。

動力

力矩是角動量隨時間的導數,就像力是動量隨時間的導數。

剛體的角動量轉動慣量乘以角速度

什麽是力矩電動機

所謂的力矩電動機是一種扁平型多極永磁直流電動機。其電樞有較多的槽數、換向片數和串聯導體數,以降低轉矩脈動和轉速脈動。力矩電動機有直流力矩電動機和交流力矩電動機兩種。

其中,直流力矩電動機的自感電抗很小,所以回響性很好;其輸出力矩與輸入電流成正比,與轉子的速度和位置無關;它可以在接近堵轉狀態下直接和負載連線低速運行而不用齒輪減速,所以在負載的軸上能產生很高的力矩對慣性比,並能消除由于使用減速齒輪而產生的系統誤差。

交流力矩電動機又可以分為同步和非同步兩種,常用的是鼠籠型非同步力矩電動機,它具有低轉速和大力矩的特點。一般地,在紡織工業中經常使用交流力矩電動機,其工作原理和結構和單相非同步電動機的相同,但是由于鼠籠型轉子的電阻較大,所以其機械特徵較軟。

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