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约束、约束力和约束公理:让物体运动的规则

我们生活在一个充满物体的世界,物体之间相互作用,产生各种运动。有些物体可以自由地在空间中运动,比如飞机、火箭等,我们称它们为自由体。有些物体则受到其他物体的限制,不能沿着任意方向运动,比如悬挂的重物、固定在墙上的画等,我们称它们为非自由体。这种强加在物体上,限制其某些位移的任何事物叫作约束。


那么,约束是怎么影响物体运动的呢?当一个非自由体沿着约束所阻碍的方向运动或有运动趋势时,约束就会对它施加一种力,以限制它的运动。这种力叫做约束力或约束反力。约束力的方向总是与物体的运动或运动趋势的方向相反,它的作用点就在约束与被约束物体的接触点,大小可以通过计算求得。

除了约束力之外,还有一种力可以影响物体的运动,那就是主动力。主动力是能使物体主动产生运动或运动趋势的力,例如重力、风力、水力等。物体通常受到主动力和约束力的共同作用。主动力通常是已知的,而约束力通常是未知的,它不仅与主动力的情况有关,同时也与约束类型有关。

要分析非自由体在各种力作用下的平衡状态或运动状态,就需要用到一个重要的概念叫做约束公理。约束公理是指约束力可以替代约束。也就是说,我们可以把约束去掉,只考虑约束力对物体的影响。这样就可以简化问题,只需要根据一些基本规律来求解约束力。

约束、约束力和约束公理是理论力学中的基本概念,它们决定了物体运动的规则。通过掌握这些概念,我们就可以分析各种工程问题,设计出更优化、更安全、更高效的机械结构。

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