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第六章 平衡与稳度

Lesson 6/11 | Study Time: 20 Min


6.1 二力的平衡




二力的平衡







二力平衡的概念


二力平衡:


当作用在同一个物体上的两个力满足以下三个条件时,这两个力相互平衡,物体会保持静止或做匀速直线运动。






二力平衡的条件























条件 描述
大小相等 两个力的大小必须相等。
方向相反 两个力的方向必须完全相反。
作用在同一直线上 两个力的作用线必须在同一直线上。





二力平衡的状态



















状态 描述
静止状态 物体在受力平衡的情况下保持静止状态。
匀速直线运动状态 物体在受力平衡的情况下做匀速直线运动。





牛顿第一定律与二力平衡


牛顿第一定律:


如果物体不受外力作用,或者所受外力相互平衡,物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。


联系:


二力平衡是牛顿第一定律的具体应用之一,说明物体即使受到外力,也可能因这些外力相互平衡而保持静止或匀速直线运动。






生活中的二力平衡实例























实例 说明
悬挂的灯 灯受到向下的重力和向上的拉力,这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上,因此灯保持静止。
静止的书本 桌面上的书受到向下的重力和向上的支持力,这两个力相互平衡,书保持静止状态。
匀速行驶的汽车 汽车受到向前的牵引力和向后的阻力,这两个力大小相等、方向相反,汽车保持匀速直线运动。














6.2 重心与平衡





重心与平衡







重心的概念



































术语 描述
力的作用点 力作用在物体上的位置称为 力的作用点
物体的重力 重力的作用点叫做 物体的重心
规则物体的重心 质地均匀、形状规则的物体,其重心在 几何中心
不规则物体的重心 质地不均匀、形状不规则的薄板,其重心可以通过 悬挂法 来确定。
重心与平衡 无论物体的质地是否均匀、形状是否规则,只要在物体的重心处支起,物体将处于平衡状态。
人体的重心

  • 笔直站立时,人体的重心一般在 骨盆中部

  • 姿势改变时,重心的位置也随之改变。







重心与稳度的关系























影响因素 描述
重心高度 支面相同时,重心越低,物体的稳度越大。
支面大小 重心高度相同时,支面越大,物体的稳度越大。
重力作用线与支面

  • 如果重力的作用线落在支面内,物体处于平衡状态。

  • 如果重力的作用线落在支面外,物体失去平衡。







平衡的类型


平衡分为三种类型:稳定平衡、不稳定平衡、随遇平衡。





稳定平衡



























特征 描述
平衡点位置 平衡点在凹部的最低点。
重心变化 如果使物体偏离,会 提高重心
释放后状态 小球释放后会回到平衡点。
实例

  • 碗中的小球

  • 悬挂的钟摆





不稳定平衡



























特征 描述
平衡点位置 平衡点在凸部的最高点。
重心变化 如果使物体偏离,会 降低重心
释放后状态 小球释放后会远离平衡点。
实例

  • 倒立的铅笔

  • 顶端朝上的圆锥体





随遇平衡



























特征 描述
平衡点位置 平衡点可以在水平面的任何一点。
重心变化 偏离后,重心 不改变
释放后状态 物体被释放后,无论在哪里都可以保持平衡。
实例

  • 浮在水面的木板

  • 放在水平桌面上的球







生活中的重心与平衡实例



























实例 说明
跷跷板 跷跷板的平衡点在支点上,若两侧重力相等,则跷跷板平衡;若重力不等,则会倾斜。
站立的人 人体的重心在骨盆中部,若身体前倾或后仰,重心会移动,可能导致失去平衡。
翻斗车 翻斗车的重心较高,容易失稳;降低货物位置可以降低重心,从而提高稳定性。
金字塔结构 重心低且支面大,因此结构稳定,不易倾倒。













6.3 稳度




稳度







稳度的定义


稳度:


物体在外力作用下保持平衡或恢复平衡的能力,称为物体的稳度。






稳度的影响因素























因素 描述
支持面 支持面是物体与支持物若干个接触面或接触点围成的面积,而不一定是物体和支持物接触的实际面积。
重心高度 重心越低,物体的稳度越高。
支持面大小 支持面越大,物体的稳度越高。





稳度的应用与实例




站立时的稳度















实例 说明
站在摇晃的公共巴士上 人们往往分开双脚站立,目的是增大支持面,从而提高稳度,避免跌倒。



车辆设计中的稳度



















实例 说明
赛车设计 赛车设计得又矮又宽,目的是降低重心并增大支持面,从而提高稳度,避免高速行驶时翻车。
货车超载的风险
货车超载会导致以下问题:

  1. 刹车失灵:超载增加惯性,紧急情况下难以刹车。

  2. 轮胎爆炸:超载会增加轮胎压力,容易造成爆胎事故。

  3. 转弯侧翻:货车的重心较高,稳度低,超载会进一步升高重心,导致转弯时容易侧翻。







总结



















稳度的提高方法 描述
降低重心 重心越低,物体越稳定。
增大支持面 支持面越大,物体越稳定。