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[信息] 力、功、力矩和能量是什么?

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发表于 2011-6-27 22:28:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
如果您读过了很多科技论坛文章,您一定会遇到很多术语——像质量、力、力矩、功、功率和能量等。那么它们的真正含义是什么,它们之间可以互换吗?
在本文中,我们将把这些术语汇总在一起,并举例说明每个术语的适用范围,还会进行一些计算,以帮助您了解它们。
本文会涉及多种不同的单位。在世界上的大部分地区,国际单位制(也称公制,源自法语Le Système International d'Unités,简称SI)是人们公认的标准单位。此系统不仅包含我们常见的大多数公制单位(比如米和千米),还包括用于许多其他物理和工程属性的单位。虽然美国也正式采用了国际单位制,但人们在日常生活中还是会经常碰到英国单位(比如磅和英尺)。在解释这些术语之前,我们需要先了解一些基础知识。我们将从质量的开始,一直介绍到能量。


什么是质量?

质量通常定义为物体所含物质的量——即物体中亚原子微粒(电子、质子和中子)的总数。如果将您的质量乘以地球的重力加速度,就可以得到您的重量。因此,当您因为饮食或锻炼而使体重发生波动时,实际上是您身体内的原子数发生了改变。

很重要的一点是:质量和您所处的空间位置无关。无论在月球上,还是在地球上,您身体的质量都不会变化,因为其中的原子数是相同的。另一方面,您离地球越远,地球对您的引力就会越小。因此,升高海拔会减轻您的重量,但您的质量还是将保持不变。居住在月球上也会让您的重量减轻,但是同样,您的质量还是不会改变。
质量是一个非常重要的单位,使用它可以计算当我们向物体施加力时,物体的加速度有多大。哪些因素决定了汽车加速度的大小呢?您可能知道,乘坐了五个成人的汽车的加速度比只有一个人时要慢。我们在谈论了力之后,将稍微详细地探讨一下质量、力和加速度之间的这种关系


质量常见单位


国际单位制:
克(g)
1
=0.001千克
千克(kg)

1千克=2.2磅质量
英制单位:
磅质量(lbm)
1磅质量
=0.4536千克

什么是力?重量是一种人所共知的力。它是地球对您施加的力的大小。关于这种力,有两个非常有趣的方面:

  • 它的施力方向是向下,更为准确地说,是朝向地球的中心。
  • 它的大小与您的质量成正比。您的质量越大,地球对您施加的力也就越大。
当您踩在浴室称上时,您会对浴室称施加一个力。这个力会压缩浴室称中的弹簧,进而移动指针。当您抛出棒球时,会对棒球施加一个力,从而使棒球产生加速。飞机发动机会产生一个推力,让飞机直冲云霄。汽车的轮胎也会对地面施加一个力,进而推动汽车前行。
力可以产生加速度。如果对玩具汽车施加一个力(例如用手推),它将开始运动。这听起来可能很简单,但却是一个非常重要的事实。汽车的运动遵循牛顿第二定律,这一定律奠定了经典力学的基础。根据牛顿第二定律,物体的加速度与所受的力(F)成正比,与物体的质量(m)成反比。换言之,对物体施加的力越大,加速度就越大;物体的质量越大,加速度就越小。牛顿第二定律通常用以下等式表示:
a=F/m或F=ma 为了纪念牛顿的功绩,国际单位制将力的标准单位命名为牛顿。1牛顿的力足以让质量为1千克的物体产生1米/秒2
的加速度。实际上,力和质量就是这样定义的。1千克是指让1牛顿的力产生1米/秒2
加速度的质量。在英制单位中,1磅质量则是指让1磅的力产生32英尺/秒2 加速度的质量。
地球对物体的引力足以让物体产生9.8米/秒2(相当于32英尺/秒2)的加速度。重力加速度通常用g表示。如果您在悬崖上丢下一个物体,它的下落速度会每秒增加9.8米。因此,当它下落5秒时,其速度将达到49米/秒。这是一个相当大的加速度。如果汽车具有这种加速度,那么它可以在3秒内加速到97公里/小时。

力的常见单位


国际单位制:
牛顿(N)
1
牛顿=0.225                 

英制单位:

磅(lb)
1磅
=4.448牛顿


力的合作用当我们谈论力时,通常会涉及多个力,并且有不同的作用方向。让我们看一张汽车图片。当汽车处于静止状态时,受到向下的重力(汽车各部位均受重力作用,方便起见,我们在汽车中心表示)和地面支持力,这个力与重力大小相等、方向相反,从而使汽车保持不动。

2222.gif


   
图1. 汽车受力动画
当汽车驱动时,会出现一些新的力。汽车后轮抓举地面,产生水平力驱动汽车前进,汽车平稳行驶时,后轮动力驱使汽车加速,但汽车会抵抗这种加速度,其力的大小等于汽车的质量乘以加速度。从图1中可以看出,代表力的箭头开始时较大,这是因为汽车起步时加速度很大。当汽车行驶起来后,空气产生阻力,随着车速的增加而变大,方向与轮胎驱动力方向相反,从而抵消动力减小汽车的加速度。
最后,汽车到达最高速度,驱动力等于空气阻力,此时没有了加速度,速度也不能增加。


什么是力矩力矩是一种旋转或扭转物体的力。每当您使用扳手施加力时,都会生成一个力矩。拧紧车轮上的四方螺帽就是一个典型的例子。当您使用扳手时,会对它的手柄施加一个力。这个力会在四方螺帽上产生一个力矩,进而推动螺帽旋转。


力矩的英制单位是磅寸或磅尺,国际单位制是牛顿米。请注意,力矩单位由距离和力两个部分组成。若要计算力矩,只需将力乘以中心距即可。在四方螺帽的例子中,如果扳手有20厘米长,那么当您施加100牛顿的力时,将产生20牛顿米的力矩。如果扳手的长度是40 厘米,则只需施加50牛顿的力即可产生相同的力矩
汽车发动机通过生成力矩来旋转曲轴。这个力矩的产生方式与上面完全相同:在一定的距离上施加力。下面让我们来详细分析发动机中某些零件的受力情况:

    Snap1.jpg


图2. 一个四冲程发动机的汽缸中是如何产生力矩的
汽缸中的气体燃烧会对活塞产生一个压力。在压力的作用下,活塞将向下运动。随后,该压力会由活塞转移给连杆,并经连杆传输至曲轴。在图2中,请注意连杆与曲轴的连接点距曲轴中心有一段距离。当曲轴旋转时,这两点之间的水平距离会发生变化,由于力矩等于力乘以距离,因此力矩也将随之改变。
您可能会奇怪,在这个发动机的力矩决定因素中,为什么只有水平距离才有效。从图2 可以看出,当活塞位于冲程的顶部时,连杆正指向下方曲轴的中心。此时不会产生任何力矩,因为只有沿垂直方向作用于连杆的力才能产生力矩。


发表于 2011-6-28 18:16:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 Tiger-ACE 于 2011-6-28 18:20 编辑

lz的帖子不错 可以普及基础科学  毕竟论坛里面来的人不都是搞技术的 有的基础还很薄弱   (知识储备不够不要紧 ,但切莫要眼高手低-----我发现 论坛里面很多基础理论内的帖子很快就沉下去了 ,倒是有些很前沿的 技术相对高层次的 很火  ------- 因为再深奥的技术也是需要严谨的基础理论,定律 演算来支持的。所以 论坛里面要多关注学习 而不是走马观花)  希望lz这样有志于推广科普的同仁 再接再厉
发表于 2011-6-29 06:46:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 P愚民 于 2011-6-29 06:50 编辑

愛因斯坦提出「E=mc²」百週年,

怎么把质量用作能量?
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