杠杆、力矩、静矩、惯性矩有什么关系?

杠杆、力矩、静矩、惯性矩有什么关系?

★杠杆原理

早在古希腊时代(中国在春秋时代),人们就发现了杠杆原理,即:

动力×动力臂=阻力×阻力臂(F1×L1=F2×L2)

★力矩概念形成于西方

“力矩”一词的概念形成于西方,英文为“moment of force”,意思是“力使物体转动的效应或能力”。它最早是由伽利略定义的,但伽利略下的定义很含糊,说明他对力矩的内涵尚不完全清楚。伽利略之后,陆续有很多学者(如欧拉、泊松)对力矩的定义进行完善,才形成今天准确的定义,即“力使物体转动的效应或能力,在计算上等于力×力臂”。

★力矩概念传入东方

(1)清朝末年,西风东渐,大量的科技文献被翻译为中文。1895年,我国数学家李善兰将“momen”翻译为“重距积”,意思是重力和距离的乘积;1904年,翻译家谢洪赉(音同赖)将“momen”翻译为“能率”,意思是能力、效率……这些译名都不是很贴切。

(2)1904年,翻译家伍光健将一本西方教材翻译为中文,书名为《最新中学教科书.力学》,书中将“momen”翻译为“矩”,主要理由如下:

①力×力臂的乘积恰好是矩形的面积;

②矩和距同音,而moment含有距离的意思;

③还有一个理由伍光健没有提到,也可能是他忽略了,本人补充如下,矩的本义是中国古代木匠使用的一种工具,俗称曲尺、拐尺,可以用来画直角,实物如图所示。所谓“无规矩不成方圆”就是说“没有规就画不了圆,没有矩就画不了直角”。

可见,伍光健的翻译比较符合信达雅的原则。

(3)1932年南京国民政府教育部对各种各样的译名进行统一和规范,正式将“moment”翻译为“矩、转矩”,此后,中学及大学物理教材逐渐使用“力矩”这一名词。

★力矩和杠杆原理

杠杆平衡时,动力×动力臂=阻力×阻力臂,

而力矩=力×力臂,因此杠杆平衡就是力矩平衡。如下图,人的力矩等于1000,使杠杆顺时针旋转,而猪的力矩也是1000,使杠杆逆时针旋转,两个力矩正负抵消,保持平衡。

★静矩和形心

(1)静矩,即静力矩,也就是静力(重力)产生的矩。

如图,假设有一个空架子,杆1、杆2可以自由旋转,桌面上没有木板,只是拉了两条灰色的钢丝,钢丝上面放了一个圆形的铁盒,铁盒的重力是G,那么铁盒的重力对z轴有一个矩G*y,假设铁盒子和杆1之间有个扳手,只要剪断铁丝,铁盒就会使得杆1旋转。

当铁盒形心移动到z轴上时,铁盒的左右两边对z轴的重力矩互相抵消了,杆1不会旋转,此时铁盒对z轴的静矩为0。

(2)同理,铁盒的重力对y轴有一个矩G*z,假设铁盒子和杆2之间有个扳手,只要剪断铁丝,铁盒就会使得杆2旋转。

当铁盒形心移动到y轴上时,铁盒的左右两边对y轴的重力矩互相抵消了,杆2不会旋转,此时铁盒对y轴的静矩为0。

(3)如果要计算物体对某个轴的矩,应该是用重力x力臂。目前很多教材习惯把面积x力臂定义为静矩,这是不严谨的,因为几何图形只有面积,没有质量、没有重力,也就不存在力矩。还有的人把下图中几何图形理解为厚度为1,密度为1的物体,下图的积分就变成质量x力臂,终究还是不符合矩的定义。

(4)个人觉得,因为重力=面积x厚度x密度x9.8,几何图形相当于均匀薄板,密度、厚度和重力常数g都是固定不变的,不影响形心计算,计算的时候可以统统约去,对几何性质没有任何影响,故大多数物理学或力学教材用下图的等式来定义静矩,即面积x力臂,这样会比较简洁。

惯性矩等定义,有时间再补充