隔离体图

自由体图由单个物体或与其周围环境隔离的物体子系统的图形表示组成，显示作用在其上的所有力。在物理学和工程学中，自由体图（FBD；也称为力图）是一种 用于可视化在给定条件下对身体施加的力、力矩和由此产生的反应的图形说明。 它描绘了一个物体或连接的物体，以及作用在物体上的所有作用力和力矩以及反作用力。 主体可以由多个内部构件（如桁架）组成，也可以是一个紧凑的主体（如梁）。 解决复杂问题可能需要一系列自由体和其他图表。

隔离体图用于可视化施加到身体上的力和力矩，并用于计算力学问题中的反应。 这些图表经常用于确定单个结构部件的载荷和计算结构内的内力。 从生物力学到结构工程，大多数工程学科都使用它们。在教育环境中，自由体图是理解某些主题（例如静力学、动力学和其他形式的经典力学）的重要步骤。

自由体图不是按比例绘制的，它是一个图表。 自由体图中使用的符号取决于身体的建模方式。

隔离体图包括：

• 主体的简化版本（通常是一个点或一个方框）
• 力显示为指向它们作用在身体上的方向的直箭头
• 力矩显示为带有箭头的曲线或带有两个箭头的矢量，指向它们作用于身体的方向
• 一个或多个参考坐标系
• 按照惯例，对施加力的反应通过向量的主干用散列标记显示

显示的力和力矩的数量取决于具体问题和所做的假设。 常见的假设是忽略空气阻力和摩擦力并假设刚体作用。

在静力学中，所有的力和力矩都必须平衡为零； 物理解释是，如果它们不这样做，则身体正在加速并且静力学原理不适用。 在动力学中，合力和力矩可以是非零的。

隔离体图可能不代表整个身体。 可以选择身体的一部分进行分析。 这种技术可以计算内力，使它们看起来是外部的，从而可以进行分析。 这可以多次使用来计算身体内不同位置的内力。

例如，一名表演铁十字架的体操运动员：对绳索和人进行建模可以计算总力（体重、忽略绳索重量、微风、浮力、静电、相对论、地球自转等）。 然后把人移开，只展示一根绳子； 你得到力的方向。 然后只看人手上的力就可以计算出来了。 现在只看手臂来计算肩部的力和力矩，依此类推，直到可以计算出您需要分析的组件。

身体可以通过三种方式建模：

• 一个粒子。 当任何旋转效果为零或即使身体本身可以伸展也没有兴趣时，可以使用此模型。 身体可以用一个小的符号斑点来表示，图表可以简化为一组并发的箭头。 作用在粒子上的力是一个束缚矢量。
• 刚性扩展。 应力和应变没有意义，但旋转效应很重要。 力箭头应位于力线上，但沿线的位置无关紧要。 延伸刚体上的力是滑动矢量。
• 非刚性扩展。 力的作用点变得至关重要，必须在图表上标明。 非刚体上的力是绑定矢量。 有些使用箭头的尾部来指示应用点。 其他人使用小费。

考虑一个在均匀引力场中自由落体的物体。

• 一个粒子。 显示附加到 blob 的单个垂直向下箭头就足够了。
• 刚性扩展。 一个箭头就足以表示重量 W，即使平静的引力作用于身体的每个粒子。
• 非刚性扩展。 在非刚性分析中，将单点作用与引力相关联是错误的。但在这方面存在一些问题

FBD 表示感兴趣的主体和作用在其上的外力。

• 主体：这通常是根据主体（粒子/扩展、刚性/非刚性）以及要回答的问题而定的示意图。 因此，如果考虑到主体的旋转和扭矩，则需要指示主体的尺寸和形状。