不平衡力

物理学

bù píng héng lì

不平衡力不能相互抵消,会产生一个非零的合力,从而改变物体的速率或方向。

Visualization

Definition

不平衡力是不会相互抵消的力:一方胜出,因此物体开始运动、停止、变快、变慢或转弯。当合力不为零时,力就是不平衡的,物体沿该合力方向加速,其速率、方向或二者同时发生变化,在质量一定时,合力越大,加速度也越大。用符号表示为 $\vec{F}_{\text{net}} \neq 0$,根据牛顿第二定律 $\vec{a} = \vec{F}_{\text{net}}/m$。合力可以在一个方向上不平衡,而在另一个方向上保持平衡,物体在水平地面上滑动就是这种情形:竖直方向的力相互抵消,水平方向的力则不然。匀速圆周运动是一种大小恒定但方向持续变化、因而力始终不平衡的情形。

Example

在一场一方更有力的拔河比赛中,绳子会朝力量更强的一方移动,因为力不平衡。一名 $60\ \text{kg}$ 的游泳者以 $240\ \text{N}$ 蹬离泳池壁,同时受到 $60\ \text{N}$ 的水阻力,所受合力为 $180\ \text{N}$,加速度为 $180 \div 60 = 3\ \text{m/s}^2$。在圆周运动中,一个 $0.50\ \text{kg}$ 的小球系在 $2.0\ \text{m}$ 长的绳上,以 $4.0\ \text{m/s}$ 做水平圆周运动,需要 $F = mv^2/r = 0.50 \times 16/2.0 = 4.0\ \text{N}$ 的不平衡向心力,由绳的张力提供,并始终指向圆心。

Key Insight

任何时候看到某物的运动状态发生了改变,都是不平衡力在起作用;一个正在滚动、逐渐停下来的球,正受到不平衡的摩擦力的作用。不平衡力是用来改变运动的,而不是用来维持运动的,因此一旦游泳者开始滑行,只有摩擦力这个不平衡的力在向后减慢她的速度。合力的方向是加速度的方向,不一定是运动的方向。一个向上抛出的球在向上运动,而不平衡的重力却指向下方。