通常說:“力是物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因”。按照力學(xué)圈的還原論風(fēng)格,這里的力肯定是簡單的情形—一個(gè)集中力。物體的運(yùn)動狀態(tài)是物體內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度。在工科理論力學(xué)中,物體被默認(rèn)為剛體,而剛體的運(yùn)動狀態(tài)(所有質(zhì)點(diǎn)的信息)被質(zhì)心速度矢量和繞質(zhì)心(為了形象起見,其實(shí)轉(zhuǎn)動沒有繞那點(diǎn)的說法)轉(zhuǎn)動的角速度矢量所完全刻畫,即由兩個(gè)速度矢量的改變信息就能獲得整個(gè)剛體的運(yùn)動狀態(tài)改變信息。
所以是(一個(gè)集中)力改變了剛體的質(zhì)心運(yùn)動狀態(tài)和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動狀態(tài)。因此筆者看法是:力是物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的原因;當(dāng)然,同時(shí)力還改變了質(zhì)心的運(yùn)動狀態(tài)。
力偶不是一個(gè)集中力,所以它不是“力是物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因”中“一個(gè)集中力”。但是如果你想讓剛體發(fā)生純轉(zhuǎn)動改變(質(zhì)心的運(yùn)動狀態(tài)不變,只改變繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動狀態(tài)),這時(shí)作用一個(gè)集中力是無法實(shí)現(xiàn)的。力“系”可以實(shí)現(xiàn)這樣的效果,實(shí)現(xiàn)該效果的簡單力系就是“一個(gè)”力偶。再次提醒,力偶不是一個(gè)集中力,它是一個(gè)集中力之“系”。
如果剛體的運(yùn)動被限制為只能發(fā)生定軸轉(zhuǎn)動,那么可以計(jì)算一個(gè)集中力對軸之矩(jǔ)—力矩,用此量可以分析該定軸轉(zhuǎn)動剛體的角加速度(轉(zhuǎn)動狀態(tài)的該變量)。那么可不可以說“力矩是物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因”呢?筆者認(rèn)為不可以,因?yàn)榱W(xué)圈在回答問題時(shí),一定會把所有的作用因素都考慮進(jìn)來(避免限入詭辯術(shù)慣用的中途“改變定義和前提”的伎倆),而力矩概念中并不含軸對物體作用信息(確實(shí)考慮了軸的位置信息)。
此外,矩心是可以任意選的,即使物體沒有轉(zhuǎn)動軸,也可以計(jì)算出力矩。再特殊點(diǎn),對只在質(zhì)心受到集中力的剛體發(fā)生平移(假設(shè)初始轉(zhuǎn)速也為零)。此種情形,仍然可以計(jì)算作用于質(zhì)心的集中力對任意點(diǎn)的矩。
更確切地說,力矩就如同主矢,是一個(gè)計(jì)算量。即使對于剛體,它也很難被理解為物理量。力矩,力偶,還是力改變了物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)
哈工大理論力學(xué)教材中一道思考題是:從力偶理論知道,一力不能與力偶平衡。但為什么下圖所示的輪子上的力偶M似乎與重物的力P相平衡呢?力矩,力偶,還是力改變了物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)
力偶理論說一力不能與力偶平衡,其適用前提是剛體只受一個(gè)集中力和一個(gè)力偶,不能再有別的第三者插足,但是上圖O鉸處有約束反力,它就是小三。正是這個(gè)小三與P構(gòu)成力偶,該力偶與M平衡。力矩,力偶,還是力改變了物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)
在計(jì)算上,可以計(jì)算P對O點(diǎn)的力矩,該力矩在數(shù)值上與M大小相等,轉(zhuǎn)向相反,相當(dāng)于平衡了。但力矩計(jì)算顯然沒有O處約束力的信息(如果你說,考慮O處約束力了,只是它的矩是0呀;這樣說就是兩個(gè)力的矩了,而不是一個(gè)集中力的矩了)。力矩,力偶,還是力改變了物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)
以上是從力學(xué)體系的認(rèn)識,但是教學(xué)中,對概念的理解是逐步推進(jìn)的。如果只談質(zhì)點(diǎn)模型,那么就不涉及轉(zhuǎn)動問題。對剛體作定軸轉(zhuǎn)動,若只介紹到力矩(高中物理和大學(xué)物理往往到此為止),也只能說“力矩是轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的原因”,因?yàn)榇藭r(shí)也沒有力線平移定理和力偶的知識。既然要介紹轉(zhuǎn)動,總是要讓學(xué)生大概解理解一下轉(zhuǎn)動的改變原因,而此時(shí)除了說力矩,也還只能說力矩。
如果工科理論力學(xué)只停留于力偶,或特別強(qiáng)調(diào)力偶概念,那么學(xué)生說“力偶是轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的原因”,天也塌不下來。
有些材料說力有外效應(yīng)和內(nèi)效應(yīng)。其中內(nèi)效應(yīng)為“力使物體變形”。筆者認(rèn)為,如果按照力學(xué)圈的習(xí)慣,把這里的力理解為“一個(gè)集中力”,那么還是免談“一個(gè)集中力的變形效應(yīng)”。力矩,力偶,還是力改變了物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)