矢量不是力,主矢自然不是力

2021-02-13 圖形公式不煩惱

    主矢是不是力,已有文章討論過[1,2,3],但是作為理論力學教學實踐中經常被拷問的話題,KFC還是想囉嗦幾句。

   

一、矢量不是力

    力是物體之間的相互作用,這個抽象的相互作用不像蘋果、書本、電腦那樣具體形象,所以在初中開始學物理時,便把這種相互作用具體化為集中力,從而它有大小、方向和作用點三個要素。

    

    教學需要循序漸進,所以物體也是從最簡單模型—質點—入手。集中力作用在質點上,也恰好能表現出質點所該有的運動性質。然而初中物理、高中物理和大學物理教學中過度強調質點模型,刷大量質點的題,而力的作用點信息在這些題中並未有存在感。浩瀚的題海刷下來,學生對力作用點也就感覺可有可無了。

    有大小和方向的量叫矢量(向量),它自然可以表示力的大小和方向兩個特性。如果學生真的覺得力的作用點信息不需要,那麼「力也就是數學矢量」的感覺也就自然而然了。

    到了理論力學階段,力作用點的重要性就表現出來了,僅用數學矢量就不夠了。寫個符號F, 按習慣它是數學矢量,不是力。如果用F表示力,一定要把它的作用點強調出來。強調有兩種方式,一是文字敘述,另外一種是用圖形示意作用點(所以受力圖很重要!)。

    

    反正,一個黑體字符F只是一個數學矢量。如果把這個F在圖上畫出來(反映作用點信息),那麼F連同這張圖一起表示F是力(當然不嚴格的語境,也可以稱單獨F為力)。

二、主矢當然不是力

 

    理論力學中,主矢是為了方便計算力系簡化的一個數學工具,即

注意右邊在在理論力學中只表示矢量的數學相加,不表示求合力,因為嚴格說來Fi本身就不是力啦!這也是為什麼式(1)左邊用F'R而不是FR的原因(FR的角標R表示Resultant, 代表力系的合力—當然也還要補充作用點的信息)。

    如果談話語境為質點情形(對應匯交力系),式(1)右邊可視為求合力,左邊可以用FR(作用點信息被淡化了),就不用撇號了。

    

    另外主矢是主力矢量(principal force vector)的簡稱, 而主矩是主矩矢量(principal moment vector)的簡稱,這兩個都是矢量,更具對稱感的簡稱是主力矢和主矩矢,但是現在主矢和主矩都叫習慣了。因而並不能因主矢簡稱中的「矢」而認為它與主矩的物理地位不平等。

    主矢和主矩的主是principal的意思,它強調這兩個量對剛體靜力學的重要性,而非傳遞它為多個矢量相加的意義。從哲學角度「白馬非馬」是詭辯,但是「主矢非力」不是詭辯,因為「矢非力」。

    如果將主矢當作力,那麼慣性力主矢簡化結果FIR=-maC十有八九會被學生畫在質心處,因為該處加速度是aC而有這種誤操作(特別是在講完對質點加慣性力之後,更有這種定勢)。

、力偶是不是合力

    我們之所以要求合力,是為了簡化分析,所以合力就是找到一個最簡單的結果與原力系等效(等效準則與使用模型和感興趣的特性有關)。

    力偶的直管體會可用大小相等方向相反兩個力來示意。我們也想找到它最簡單的結果,這個結果肯定不是零力系,但是按式(1)計算出來的是0。那麼我們是不是就說它沒有合力或合力為零呢?

      合力應該是最簡結果,所以這裡力不宜按「集中力」來理解,應按力是「物體與物體之間相互作用來理解」。物體與物體之間往往不是點接觸,而是線接觸和面接觸,相互作用是個分布力系。對剛體而言,該分布力系也應該並且也能被簡化。最終的簡化結果(平面情形)有零力系(等效於無相互作用),一個集中力和一個力偶。所以合力的漢語意思應該包括零力系、集中力和力偶這三種情形。

    總之,合力的「力」最好理解為物體之間的相互作用。

參考書目

【1】陳培見, 彭娟, 趙玉成等. 關於力系等效、主矢和合力概念的討論. 力學與實踐, 2018, 40(3): 322-324

【2】程燕平,王春香. 關於力系簡化中主矢是不是力的討論. 力學與
實踐, 2004, 26(3): 81-82

【3】樊麗儉,馮振宇.主矢不是力[J].力學與實踐,2006,28(3):
75-76.

【4】陳奎孚.理論力學精細輔導.北京:清華大學出版社.2018.9

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