能量和力矩有相同的量纲,是否代表其背后有本质上的物理联系?
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的确,力矩和能量有相同的量纲,但是他们在物理上完全没有联系。
这可以看作是量纲分析的一个缺点,因此有人提出改进方案,将向量的方向也作为量纲处理。http://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis#Extensions 但是量纲分析的实际操作中这实在不是什么大问题,所以这种改进几乎没有人理睬,您也别纠结了。
这可以看作是量纲分析的一个缺点,因此有人提出改进方案,将向量的方向也作为量纲处理。http://en.wikipedia.org/wiki/Dimensional_analysis#Extensions 但是量纲分析的实际操作中这实在不是什么大问题,所以这种改进几乎没有人理睬,您也别纠结了。
其实更广泛的定义下,如果把角度看成广义坐标,那么力矩就是对应的广义力。(再举个广义坐标广义力的例子:比如把体积和压强就是广义坐标和对应的广义力,可以理解为压强通过体积膨胀对外做功。)
广义力和广义坐标乘积的量纲是能量量纲。不过角度(弧度)在正常情况下都是无量纲的数(pi,2pi,pi/2...)所以广义力就和能量有了一样的量纲。
但要注意物理意义明显不同。广义力是强度量(例如两个相同系统合成一个系统,也不会有任何变化),而能量就明显不是。(能量也不是广度量。广义坐标是。能量是二者乘积,认为是描述特定系统的参数。)
广义力和广义坐标乘积的量纲是能量量纲。不过角度(弧度)在正常情况下都是无量纲的数(pi,2pi,pi/2...)所以广义力就和能量有了一样的量纲。
但要注意物理意义明显不同。广义力是强度量(例如两个相同系统合成一个系统,也不会有任何变化),而能量就明显不是。(能量也不是广度量。广义坐标是。能量是二者乘积,认为是描述特定系统的参数。)
力矩无法和平动做功相关,但能和转动做功相关,至于如何理解角动能和力矩的物理关系,仁者见仁智者见智,参考:
力矩
力矩
假设施加作用力于一物体,使得此物体移动一段距离,则作用力对于此物体做了机械功。类似地,假设施加力矩于一物体,使得此物体旋转一段角位移,则力矩对于此物体做了机械功。对于穿过质心的固定轴的旋转运动,以数学方程表达,我觉得这是一种平动能和转动能之间的转换,力矩的物理意义不是能量,力矩与角度相乘是能量
;其中,是机械功,、分别是初始角和终结角,是无穷小角位移元素。
根据功能定理,也代表物体的旋转动能的改变,以方程表达,
。功率是单位时间内所做的机械功。对于旋转运动,功率以方程表达为
。请注意,力矩注入的功率只跟瞬时角速度有关,而角速度是否在增加中,或在减小中,或保持不变,功率都与这些状况无关。
实际上,在与大型输电网络相连接的发电厂里,可以观察到这关系。发电厂的发电机的角速度是由输电网络的频率设定,而发电厂的功率输出是由作用于发电机转动轴的力矩所决定。
在计算功率时,必须使用一致的单位。采用国际单位制,功率的单位是瓦特,力矩的单位是牛顿-米,角速度的单位是每秒弧度(不是每分钟转速rpm,也不是每秒钟转速)。
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