非正式地說(shuō)，靜力學(xué)是研究沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的力。更正式地說(shuō)，靜力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，研究沒(méi)有運(yùn)動(dòng)變化的力。與此相反，動(dòng)力學(xué)研究的是力和運(yùn)動(dòng);或者更正式地說(shuō)，力學(xué)的一個(gè)分支是研究力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。靜力學(xué)意味著靜止。動(dòng)力學(xué)意味著變化。重要的變化是加速度。這篇文章為大家?guī)?lái)昆士蘭大學(xué)土木工程靜力學(xué)基礎(chǔ)指南。

一、關(guān)于靜力學(xué)

靜力學(xué)似乎意味著靜止不動(dòng)，但事實(shí)并不一定如此。加速度才是關(guān)鍵。長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng)是不加速的一種方式。長(zhǎng)時(shí)間勻速直線移動(dòng)是另一種方式。靜止和勻速運(yùn)動(dòng)在物理上沒(méi)有區(qū)別。地球正以難以想象的速度(250000 米/秒)忠實(shí)地跟隨太陽(yáng)穿越銀河，但由于我們的加速度幾乎為零(~10-10 米/秒2)，因此這種運(yùn)動(dòng)基本上是無(wú)法察覺(jué)的。當(dāng)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)的地球上靜止時(shí)，我們感覺(jué)自己相對(duì)于整個(gè)宇宙都是靜止的。

本書(shū)這一部分的目的是作為靜力學(xué)問(wèn)題的資料庫(kù)。每個(gè)問(wèn)題中的加速度在所有方向上都為零。只有本節(jié)是這樣。這樣做的目的是讓你了解解決此類(lèi)問(wèn)題的過(guò)程，以便在以后出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題時(shí)能夠識(shí)別它們。

二、平衡

當(dāng)物體上沒(méi)有作用力時(shí)，它不會(huì)加速。這是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的第一定律的一個(gè)結(jié)果。"靜止的物體趨向于保持靜止，而運(yùn)動(dòng)中的物體趨向于以恒定速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。" 這似乎暗示了當(dāng)一個(gè)或多個(gè)力作用于物體時(shí)，它必須加速。然而，這并不完全正確，因?yàn)樗鲆暳嗽摱傻淖詈笠徊糠?— "除非被凈外力迫使以其他方式行動(dòng)"。

單一力會(huì)使物體加速。這很容易測(cè)試。扔?xùn)|西，觀察它加速。嗯，也許測(cè)試并不那么容易，因?yàn)槲覀兯坪鯉缀醢阉袞|西都扔在地球表面附近的空氣中。這意味著阻力作為第二個(gè)力存在。沒(méi)錯(cuò)，但我們可以考慮極端情況。當(dāng)阻力很大時(shí)，自由落體加速度可能難以察覺(jué)。當(dāng)阻力較小時(shí)，加速度是明顯的。當(dāng)它更小時(shí)，只會(huì)更加明顯。將其推廣到只有重力是作用在物體上的唯一力的點(diǎn)并不會(huì)使加速消失。它只會(huì)使它更加顯而易見(jiàn)。

那么對(duì)于兩個(gè)、三個(gè)或更多力的情況呢?這也很容易測(cè)試。坐在椅子上，站在地板上，或躺在床上。有兩個(gè)作用在你身上的力(重力向下拉和法向力向上推)，但沒(méi)有加速度。有幾種描述這種情況的方式。

- 凈力為零。

- 力平衡。

- 系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

- 系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡。

- 系統(tǒng)處于平動(dòng)平衡。

讓我們按順序來(lái)處理這些情況。

1.凈力為零。

這是我個(gè)人最喜歡的(也是我把它放在第一位的原因)，因?yàn)樗c第一定律的陳述相關(guān)(這也是我把它放在第一位的原因)。短語(yǔ) "凈力" 中的 "凈" 一詞表示總、綜合或整體。這是在考慮了所有因素后得出的結(jié)果。"凈" 與 "整潔" 有關(guān)。找到凈值有點(diǎn)像整理數(shù)學(xué)混亂(或至少減少混亂)。

一個(gè)坐在椅子上的人受到兩個(gè)力的作用，它們的合力為零。它們合力為零，因?yàn)橐粋€(gè)力是正的，一個(gè)力是負(fù)的。力是矢量 —— 它們具有方向和大小。描述方向的最簡(jiǎn)單方式是使用數(shù)學(xué)符號(hào)。作用在物體上的凈力是所有分別作用在它上面的力的矢量和。這可以寫(xiě)成 ∑F 或 Fnet 或其他類(lèi)似的方式。

2.力平衡。

當(dāng)一個(gè)人坐在椅子上時(shí)，他們的重力被椅子的法向力平衡。在這種情況下，重力和法向力被稱(chēng)為平衡力，因?yàn)樗鼈兿嗟惹曳较蛳喾?。這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致混淆，因?yàn)榕ｎD的第三定律說(shuō)每個(gè)動(dòng)作都有一個(gè)相等而相反的反作用力。所有的動(dòng)作-反作用力對(duì)都是相等的，因?yàn)檫@是宇宙的工作方式。重力和法向力不是一個(gè)動(dòng)作-反作用力對(duì)。如果這兩個(gè)力在人身上相等，那只是因?yàn)槿藳](méi)有加速。

地球?qū)θ说囊腿藢?duì)地球的引力是一個(gè)動(dòng)作-反作用力對(duì)。這兩個(gè)力作用在兩個(gè)不同的物體上(人和地球)。這并不意味著重力是平衡力。椅子對(duì)人的法向力和人對(duì)椅子的法向力是另一組動(dòng)作-反作用力對(duì)。同樣，有兩個(gè)作用在兩個(gè)不同物體上(人和椅子)的力。這也不意味著法向力是平衡力。地球?qū)θ说囊头ㄏ蛄?duì)人的作用在同一個(gè)物體上(人)上，并結(jié)合在一起，使物體不加速。這些力是平衡的。

3.系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

一個(gè)坐在椅子上的人處于平衡狀態(tài)。現(xiàn)在我們有一個(gè)正當(dāng)?shù)脑~匯來(lái)討論。一個(gè)不加速的物體也可以說(shuō)處于平衡狀態(tài)。前綴 "equi-" 應(yīng)該很容易識(shí)別，它是英語(yǔ)詞 "equal" 的后綴形式，來(lái)源于拉丁詞 "aequalis"。第二部分 "-librium" 來(lái)自拉丁詞 "libra"，指的是一種天平 —— 通過(guò)比較使用兩個(gè)盤(pán)來(lái)確定重量的裝置。當(dāng)你看到 "equilibrium" 這個(gè)詞時(shí)，可以想到正義的天平。

海馬課堂專(zhuān)業(yè)課程輔導(dǎo)，3500+嚴(yán)選碩博學(xué)霸師資，針對(duì)學(xué)生的薄弱科目和學(xué)校教學(xué)進(jìn)度，匹配背景相符的導(dǎo)師，根據(jù)學(xué)生情況進(jìn)行1V1專(zhuān)屬備課，上課時(shí)間靈活安排，中英雙語(yǔ)詳細(xì)講解課程中的考點(diǎn)、 難點(diǎn)問(wèn)題，并提供多方位的課后輔導(dǎo)，輔助學(xué)生掌握全部課程知識(shí)，補(bǔ)足短板。