重量相同的物体,放在托盘的不同位置,天平也能够平衡;结构力学学的好的朋友会发现,不同位置,弯矩不一样,放靠外的那一侧弯矩是不是更大,为何能平衡呢?结构力学越好是不是越想不通。
要分析这个天平,我们先把天平下面那个罩子拿掉,里面应该是这样子的。
为了看得更清楚,我绘制了一个更简单的示意图。
天平的力学模型简图
现在往两个托盘里随便放两个一模一样的物体A和B,重量都为G,偏离各自的轴线位置分别为a和b。下面开始分析天平受力(不计自重)。首先分析左边托盘和竖杆的受力。把托盘和竖杆看做一个整体,它竖向受到三个力, G和两根横杆给它的支撑力Ya1和Ya2。根据受力平衡条件,G=Ya1 Ya2,水平方向除了两个横杆外没有其它受力,所以两根横杆的力必须大小相等方向相反,设水平力为Xa。整个受力平衡如下图所示。同样受力分析右侧的托盘和竖杆。
下面来求力的大小(没学过结构力学的可以绕道了),左侧上转动节点为轴,弯矩平衡方程:G*a=Xa*h,解得Xa=G*a/h,同理,Xb=G*b/h。那竖向力呢?先不用急,竖向力跟横杆的刚度有关,但是在这个体系里,是不是不需要求出来也没有影响呢?虽然没求出来,但是知道G=Ya1 Ya2, G=Yb1 Yb2。
有了两横杆的节点受力,下面来分析中间部分的受力。