隔离体图,也称为自由体图,中国大陆常称为受力分析图,是一种用箭头表示物体受力大小及方向的图像表示法,物理学家及工程师常以此来分析物体的受力。隔离体图可以方便了解物体所受的力或力矩之间的关系,也有助于求解物体运动方程中待解的力。在研究如梁内弯矩及剪力等的内部力时,也常用隔离体图来说明其概念[1][2]。
隔离体图的特点是图中只有一个物体,其他周围的物体均不绘出,只用箭头表示周围物体的施力。
绘制方式
隔离体图主要包括物体的形状及表示受力的箭头。在问题求解的过程中,重要的是需先选择隔离体图物体的形状。例如在求解钳子车轴关节的受力时,绘制隔离体图时可以只画钳子的一只金属杠杆,另外一只金属杠杆则可以用其对前者的施力来代替。
隔离体图也可反映出为在分析系统时进行的假设及简化,例如要分析轨道上的人造卫星,而且只需求其速度,此时就可以用一个点来表示人造卫星。而当要分析机车的刹车碟时,不可能将刹车碟用一个点来表示,此时就需要绘制刹车碟的简图。
需小心的处理表示受力箭头的位置及其标示,例如处理斜面上长方体的受力时,需在分析其运动或是假设力平衡时才能找出正确正向力的位置。
其他常见的简化假设包括二力构件(two-force member)的二个力为大小相等,方向相反,且作用在通过构件中心的一直线上。三力构件(three-force member)的三个力会共点[3]。
隔离体图不一定要绘出物体的外形,只有在外形有助于分析其受力时,才有需要绘出物体外形。有些情形时,可以将物体以一点来表示简单分析。但若需要考虑物体的旋转及其转矩,则需要将其外形绘出。
隔离体图中只需考虑作用在该物体上的力,可能包括摩擦力、重力、正向力、阻力、张力或是推力或拉力。若是在非惯性参考系,可能需要考虑惯性力,例如在旋转参考系中的离心力。
隔离体图一般会标示使用的坐标系,在列出其运动方程式时也比较方便。例如在考虑斜面上长方块的问题时,会将x轴选定为延斜面往下的方向,y轴选定为和斜面垂直的方向,因此摩擦力只有x分量,而正向力只有y分量,而重力同时有x分量及y分量,分别为 及 ,其中 为斜面和水平面之间的夹角。
举例
以一个位于斜面上的长方体来说明隔离体图。
- 将所有外部的支撑及结构变成外力,此例中的外力包括:
- :是长方体质量及重力加速度的乘积,也就是其重量。
- :斜面上的正向力。
- :斜面上的摩擦力。
- 外力向量均有标示方向及作用点,旁边也会标示其大小。
- 其中也包括坐标系统,以便于描述外力。
参见
参考
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