
【機】 normal force
【機】 normal
all one's best; force; power; puissance; strength
【化】 force
【醫】 dynamo-; ergo-; force; potency; potentia; Power; stheno-; strength; vis
法線力 (Fǎxiàn Lì / Normal Force)
在物理學和工程學中,法線力(英語:Normal Force)指兩個物體接觸時,垂直于接觸面施加的力。其名稱源于幾何學中的“法線”(Normal Line),即垂直于曲面或切面的直線。法線力是支撐力的一種表現形式,本質上是物體為抵抗外力(如重力)而通過接觸面産生的彈性反作用力。
方向與作用
法線力始終垂直于接觸面,方向由受力物體指向施力物體。例如,書本置于桌面時,桌面對書本的法線力豎直向上,與書本重力平衡,防止其下落。
牛頓第三定律的體現
法線力是作用力與反作用力的典型實例。若物體A對物體B施加法線力 ( FN ),則B對A施加大小相等、方向相反的法線力 ( -FN ),符合 ( vec{F}{Ato B} = -vec{F}{Bto A} ) 。
計算公式
在無加速度的靜态系統中,法線力大小常等于外力在法線方向的分量。例如斜面上物體所受法線力為:
$$ F_N = mg costheta $$
其中 ( m ) 為質量,( g ) 為重力加速度,( theta ) 為斜面傾角 。
法線力垂直于接觸面,而切向力(Tangential Force)平行于接觸面。兩者共同構成接觸力的正交分量。例如,推動箱子時,法線力支撐箱子,切向力(摩擦力)抵抗水平運動 。
注:法線力在摩擦定律中至關重要,最大靜摩擦力 ( f_s^{max} = mu_s F_N ) 直接依賴于法線力大小(( mu_s ) 為靜摩擦系數)。
法線力是物理學和工程學中描述作用方向垂直于物體接觸面的力,以下是詳細解釋:
基本概念
法線力指作用在物體表面且方向垂直于接觸面的力。例如物體靜止在水平面上時,支撐力就是典型的法線力,它與接觸面垂直,防止物體穿透表面。
與切向力的區别
法線力的方向始終與接觸面垂直,而切向力(如摩擦力)則沿接觸面方向作用。兩者的合力共同構成物體表面的受力狀态。
力學分析
在剛體力學中,法線力用于計算物體間的正壓力。例如斜坡上的物體所受法線力可通過分解重力得到,公式為:
$$
F_N = mgcostheta
$$
其中$theta$為斜坡傾角。
計算機圖形學
三維模型表面的法線方向直接影響光照渲染效果。通過調整法線向量,可模拟不同材質的光澤度與陰影效果。
工程結構設計
建築設計中需計算風壓、水壓等法線方向的外力,以确保結構穩定性。例如橋梁支柱需承受垂直于表面的流體壓力。
法線力的方向存在正負之分:外法線方向(指向物體外部)通常定義為正,内法線方向為負。這一約定在計算曲面積分和壓力分布時尤為重要。
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