
【机】 normal force
【机】 normal
all one's best; force; power; puissance; strength
【化】 force
【医】 dynamo-; ergo-; force; potency; potentia; Power; stheno-; strength; vis
法线力 (Fǎxiàn Lì / Normal Force)
在物理学和工程学中,法线力(英语:Normal Force)指两个物体接触时,垂直于接触面施加的力。其名称源于几何学中的“法线”(Normal Line),即垂直于曲面或切面的直线。法线力是支撑力的一种表现形式,本质上是物体为抵抗外力(如重力)而通过接触面产生的弹性反作用力。
方向与作用
法线力始终垂直于接触面,方向由受力物体指向施力物体。例如,书本置于桌面时,桌面对书本的法线力竖直向上,与书本重力平衡,防止其下落。
牛顿第三定律的体现
法线力是作用力与反作用力的典型实例。若物体A对物体B施加法线力 ( FN ),则B对A施加大小相等、方向相反的法线力 ( -FN ),符合 ( vec{F}{Ato B} = -vec{F}{Bto A} ) 。
计算公式
在无加速度的静态系统中,法线力大小常等于外力在法线方向的分量。例如斜面上物体所受法线力为:
$$ F_N = mg costheta $$
其中 ( m ) 为质量,( g ) 为重力加速度,( theta ) 为斜面倾角 。
法线力垂直于接触面,而切向力(Tangential Force)平行于接触面。两者共同构成接触力的正交分量。例如,推动箱子时,法线力支撑箱子,切向力(摩擦力)抵抗水平运动 。
注:法线力在摩擦定律中至关重要,最大静摩擦力 ( f_s^{max} = mu_s F_N ) 直接依赖于法线力大小(( mu_s ) 为静摩擦系数)。
法线力是物理学和工程学中描述作用方向垂直于物体接触面的力,以下是详细解释:
基本概念
法线力指作用在物体表面且方向垂直于接触面的力。例如物体静止在水平面上时,支撑力就是典型的法线力,它与接触面垂直,防止物体穿透表面。
与切向力的区别
法线力的方向始终与接触面垂直,而切向力(如摩擦力)则沿接触面方向作用。两者的合力共同构成物体表面的受力状态。
力学分析
在刚体力学中,法线力用于计算物体间的正压力。例如斜坡上的物体所受法线力可通过分解重力得到,公式为:
$$
F_N = mgcostheta
$$
其中$theta$为斜坡倾角。
计算机图形学
三维模型表面的法线方向直接影响光照渲染效果。通过调整法线向量,可模拟不同材质的光泽度与阴影效果。
工程结构设计
建筑设计中需计算风压、水压等法线方向的外力,以确保结构稳定性。例如桥梁支柱需承受垂直于表面的流体压力。
法线力的方向存在正负之分:外法线方向(指向物体外部)通常定义为正,内法线方向为负。这一约定在计算曲面积分和压力分布时尤为重要。
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