動力學中的系統與力圖

練習解答

1.被放在桌上靜止不動的手機,畫出手機的力圖。

FBD-1

嚴格說來,我們只能使用牛頓定律來決定正向力的大小。根據題目說的「靜止不動」條件,我們可知手機的瞬時加速度恆為零,所以正向力量值應與重量相同。有些同學會直覺地以為任何物體所受之正向力必與重量等大,但這是不一定的。

2.呈 (1),畫出這桌子的力圖。

FBD-2

「桌子作用於手機之正向力」與「手機作用於桌子之正向力」是一樣的性質,而且等大反向,受力者與施力者相反的作用—反作用力對。

有些同學在畫力圖時,會混淆上述這兩個力,認為這兩個力「同時作用在手機上」。由此在畫 (1) 時,會將 (2) 中的正向力畫到 (1) 的手機上,這是不對的。最後,其實桌腳的受力情形還需使用合力矩為零的條件來計算,這也跟手機位置有關。

 

 

3.坐在盪鞦韆上且兩手抓著鐵鍊的小孩,畫出小孩的力圖。

FBD-3

我承認這張圖看起來滿怪的,雖然我覺得這是滿正確的一張圖,除了繩子對手的正向力是朝向四面八方的,而非左右以外,我想這部份大概表示就可。手緊抓著繩子時,有人認為這是繩張力,但仔細一想,當手沒抓緊時,手會對繩作相對滑動,所以此時的力變成了動摩擦力。因此,在緊緊抓住繩子時,繩子對手施的力應是靜摩擦力。而所謂的「抓緊繩子」,就是指左圖位於手上的非常奇怪的「正向力」;繩子抓得越緊,繩施予手的正向力也就越大。更進一步來說,若手抓得不夠緊,那麼手與繩的最大靜摩擦力可能就不夠大,而使得手容易「抓不緊繩子」(也就是手容易在繩上打滑)。最後,靜摩擦力的大小取決於力矩,這也是需要經過計算的,所以兩手掌與身體之距離也不一定。

4.畫出 (3) 中,被小孩坐著的盪鞦韆木板的力圖(不含鐵鍊)。

FBD-4

這問題主要是在測驗同學「專注於木板受力情形」的能力。因為木板往往跟人與鐵鍊「緊緊貼在一起」,所以人對木板的正向力、鐵鍊對木板的張力,就是同學容易搞混、畫反的地方。

 

 

 

5.畫出 (3) 中,鐵鍊的力圖(暫不考慮重力)。

FBD-5

 

這圖看起來較奇怪的地方當然是沒有重力與正向力的部份。如果考慮重力,那麼也只是增加了上端鐵桿施予鐵鍊的張力量值。至於正向力,我在 (3) 有提過正向力與靜摩擦力在此扮演的角色,原理同 (3)。

 

 

 

 

6.畫出 (3) 中,鐵鍊與木板的力圖。

FBD-6

這題也是在訓練同學「專注於系統」的能力,能夠不被「人的模樣」影響而畫出正確的力圖。值得注意的是,若同學熟悉向心力的話,那麼會發現小孩盪鞦韆時的速率會影響兩鐵鍊的張力;簡單而言,盪得越快,張力越大。因此,除非小孩之鉛直加速度確定等於零,否則若有向心加速度,那麼不能將兩鐵鍊上端張力視為恰好與木板重力、人施予木板的正向力、人施予鐵鍊的靜摩擦力抗衡。

 

 

7.畫出 (3) 中,將小孩、鐵鍊與木板視為一系統,畫出此系統的力圖。

FBD-7

我想這應該是最容易的力圖,當小孩靜止不動時,兩鐵鍊張力應相等並與小孩、木板重力抗衡,所以可輕易算出鐵鍊張力。這通常會是一個題組的起點,接著由此張力推論其他細微的受力問題。

 

 

 

 

8.有顆芒果掉下來了,假設不計空氣阻力,請畫芒果的力圖。

FBD-8

其實我是想透過上面幾個較複雜的問題來測測同學會不會「多想」些什麼,最後發現其實芒果的力圖非常簡單。我不確定如果同學畫錯了,那會是錯些什麼,但就這樣囉。

 

 

 

9.有片葉子被風吹落了,假設葉子落下時正吹著東風,所以葉子往左上飛去,試畫葉子的力圖。

FBD-9

這題主要是測驗同學會不會混淆瞬時速度與受力情況。葉子之所以往左上飛去,是因為它目前的瞬時速度往左上,追根究柢,可能是剛才吹了向上的風,所以它才往上飛。但現在是吹「東風」,所以不論葉子瞬時速度為何,其受力方向仍為左圖所示。

 

 

10.有隻小鳥在空中等速向左飛行,考慮空氣阻力,請畫出小鳥的力圖。

FBD-10

有些同學會將空氣對翅膀的推力畫為鉛直向上的方向,這就是沒注意到「等速條件」的結果。因為小鳥等速運動,所以儘管翅膀可能「像是」水平的,但無論如何,這空氣推力與重力之總和必須與空氣阻力抗衡。所以空氣推力的方向仍是需稍微想一想的。

11.想像你正試著推動一台洗衣機,但始終推不動,請畫出洗衣機的力圖。

FBD-11

首先,我們知道洗衣機之所以不移動是因為靜摩擦力,所以應該要畫一靜摩擦力與水平推力抗衡。由於洗衣機受到重力場向下的重力,且沒有鉛直加速度,所以必存在一正向力與此重力抗衡。然而,左圖的思路並不是這樣的。我們經常將兩物體間的正向力、靜摩擦力視為兩種不同的力,但我個人對正向力、靜摩擦力的定義分別如下:

  • 正向力:於兩物體間,垂直於兩物接觸面的阻力分量
  • 摩擦力:於兩物體間,平行於兩物接觸面的阻力分量

所以,此圖我畫出的就是那純粹的阻力,它的分量則畫在右下角。最後比較困難的是,通常我們都不在意正向力的作用點,然而若考慮到轉動平衡條件,那麼會發現此時阻力必然通過「水平推力」與「重力」之作用線交點。原因是,假若阻力 R 並未通過此交點,那麼當我們選此交點為參考系原點時,由於洗衣機各質點對此交點為靜止狀態,所以必處於轉動平衡,亦即合力矩必為零。因此,R 並未通過此交點的結果就是使合力矩不為零,所以矛盾而假設錯誤,所以 R 必須通過此交點。將摩擦力與正向力視為「阻力 R」之分量的好處就在於可簡易判斷等效阻力的作用點,也就連帶判斷出等效正向力的作用點了。最後,等效的意義在於,雖然洗衣機每個點都有受到地面的正向力排斥作用,但我們將這個「總排斥效果」—利用牛頓定律與其轉動版本—等效為「一個正向力」。

12.呈 (10),假設你推動了這台洗衣機,並且向左作等速運動,忽略空氣阻力。請畫出洗衣機的力圖。

FBD-12

這題與 (11) 是一樣的,只不過要將靜摩擦力改為動摩擦力。當然,動摩擦力可能比靜摩擦力還要來得大,雖然在這張圖我將動摩擦力視為比 (11) 中的靜摩擦力還要小。同樣地,當我以「水平推力 F」與「重力 W」之作用線交點為參考系原點時,很容易地可判斷出阻力 R 的作用點。

 

 

 

13.呈 (11),考慮空氣阻力,並且洗衣機也是向左作等速運動,請畫出洗衣機的力圖。

FBD-13

現在考慮空氣阻力,並且洗衣機仍作等速運動,所以對剛剛一直提到的參考系原點之合力矩必為零。在左途中,我刻意把空氣阻力作用點等效在正中央,且水平推力略為偏低,為的就是說明我們仍可利用剛才的合力矩為零條件來判斷阻力 R 作用點應位於何處。由於此圖中的空氣阻力對該交點造成順時鐘力矩,所以阻力 R 必須造成逆時鐘力矩以使得合力矩為零,因此阻力 R 必須位於右半邊某處,準確位置仍需代數字計算才能知道。

14.想像你是打 MLB 的王牌投手,當你彎腰投球時,球正在往仰角10度的東方加速。請畫出這顆球的力圖。(提示:將手對球的力量等效為一個作用力,而不以真實的受力情形計算,如同將物體重力等效為作用於重心的總重力)

FBD-15

通常我們施的力都遠大於棒球重力,所以施力方向將幾乎平行物體的瞬時初速方面。不過,若我們施的力不夠大,那就不能近似成平行了,如左圖所示。

 

 

15.Steve Nash 的三分球,這次的拋物線非常高。請畫出球在最高點時的力圖。

FBD-16

只要不考慮空氣阻力,那麼不論在空中的球速(量值與方向)為何,其受力總是只有向下的重力。

 

 

 

 

16.呈 (15),結果這顆球打板才進,請畫出球打板時的力圖。

FBD-17

其實球與籃板的動摩擦方向不見得向下,這需要考慮它的角速度與角加速度才能判斷。

 

 

 

17.當你靜止在磅秤上時,你讀到你的重量為 50kgw 請畫出此時你的力圖。

FBD-18

關鍵在於靜止不動,所以我們可透過牛頓第二定律得出正向力與重力抗衡的事實(個人不建議說成兩力抵消)。

 

 

 

 

 

18.呈 (17),當你往下蹲時,在你下蹲的前半段過程(向下加速),你發現讀數減少了,只有 40kgw,請畫出此時的你的力圖。(想想為什麼讀數減少了?)

FBD-19

因為我們向下加速,所以正向力必須小於重力以使合力向下。有些同學只要看到有磅秤的問題,就把磅秤所施的正向力當作必定等同於重力大小,這是不一定的。

 

 

 

 

19.呈 (18),當你往下蹲時,在你下蹲的後半段過程(向上加速),你發現讀數不減反增!變成了 60kgw,請畫出此時的你的力圖(想想為什麼讀數不減反增?)

FBD-20

如(18),由於向上加速,所以儘管瞬時速度向下,但正向力仍必須大過重力以產生向上的合力。

 

 

 

 

 

20.有個冰塊浮在你點的可樂上,請畫出冰塊的力圖。

FBD-21

冰塊會因四周的可樂而受力,這些受力加總就稱為浮力。

21.呈 (20),請畫出可樂(那些可以喝的流體)的力圖。(提示:考慮作用於冰塊的浮力的反作用力,以及杯子作用於可樂的正向力)

FBD-22

由於可樂對冰塊施予向上的浮力,所以冰塊就對可樂施予向下的浮力,這個力很容易被同學遺忘。

22.你正在跟朋友玩翹翹板,因為你朋友比較重,所以坐得離支點較遠。假設現在兩人靜止不動,請畫出你與朋友的力圖,再接著畫翹翹板的力圖。

FBD-23-2 FBD-23-3

 

23.想像你走路時不小心被石頭絆倒了,在那絆倒後但又還沒著地的瞬間,畫出你的力圖。(腳還稍微碰著石頭)

FBD-25

若我們以被絆倒的腳掌為參考點,會發現人之所以往前倒,是因為重力力矩的關係。如果我們此時另一腳踩到地面,那麼地面施予腳的正向力力矩即可能與重力力矩抗衡,這樣就不會跌倒了。

 

 

 

關於「Ethan」

我是 Ethan,科學普及教育愛好者。
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