从物理学的基本知识中,我们将运动的力学区分为两个熟知的领域:静力学与动力学。但从力学原理的统一认识中,二者并无本质上的差别。
如果没有力的施予,就不可能导致物体的运动。只有在理想的情况下,虽然并无某些力的不断作用,运动亦可以保持下去。换言之,可以认为,处于静止状态下的物体,也要同样地经受着互为平衡的力的作用。因此,力既可促使运动,亦可以阻止运动。有鉴于此,在研究物质的传输过程时,首先要确定力的作用,无疑是十分重要的。
因为一个力具有大小、方向和作用点,这样即可很简明地运用图解方式将它表达出来。通过作用方向轴的一条直线(用箭号表示),其线段长度表示力的大小(按照一定比例)。倘若作用于物体上的力不止一个时,则使用其合力表示净作用力,如图6-24b所示,可以得出作用于物体A上的合力等于零。
在另外一种状况下(见图6-24a),物体B受F1和F2两个力的作用,其中箭号的长度与其作用力的大小成比例,于是可以得到合力的大小与方向。即为图内三角形的长边、它是依据通用的平行四边形法则得出的,该原则可以推广到任何数量的矢量合成。当然,我们也可以应用该原则的逆过程,对一个力进行分解。
在图6-25中,一个斜坡上的物体,沿铅垂方向受到重力作用,其反作用力Rw阻止着物体在重力方向的向下移动;可是沿着斜坡向下的运动,来源于重力所分解出的一个分力,这样的一个分力垂直于斜坡(Wv),它趋向于拉住物体在原地不动;另一个分力是平行于斜坡(Wf),它趋向于使得物体沿着斜坡向下运动,于是
Wv=Wcosα
Wf=Wsinα
4.应力与应变
进行任何测量,都必须有相应的参考系与适宜的量纲和单位。在理论地理学中,所作的一般测量都使用一个局部的水平状态和以地球重力方向为准的垂直状态,组建成一个笛卡儿坐标,也就是3个互为垂直的坐标轴。
在地理学中有关力的分析,经常会引出有关应力(stress)的概念。所谓应力,在固体中是通过“压”或“拉”而产生的,并因此引起该物体的形变。由此关于应力的规定是:它是一个单位面积上的力,并且以“每平方米牛顿”的单位计量(Nm-2)。应力有压应力和拉应力两个基本类型,它们仅仅是在力的施加方向上有差异。以一个立方体的物体为例,它们是对其顶部和底部(或两个相对应的边)所施予的力。在一个实体中的任何一点上,这些力可以被考虑成作用于一个面上的3个应力(见图6-26A):一个以垂直角度施予的称为正应力,它既可以是压缩的,也可以是拉伸的;而沿着表面所施予的力,则可分解为两个切应力(它们二者互为垂直),当然它们也均有两个数量相等方向相反的反作用力,这可以从图6-26的B中看到。
在一个固体的任何一个应力点上,均有3个正交的面,其上没有切应力作用(沿着面的方向),于是将其称为主应力面或基本应力面(principlestressplanes)。作用于该面上的正应力,具有主要的、中间的和次要的应力方向,分别被注明为σ1,σ2,σ3(见图6-26C)。联系这些应力是可能的,在任何面上以任何一个角度θ对着基本应力面的方向σ3(与主要方向σ1相垂直),则切应力τ和正应力σn可以被确定出来:
τ=[(σ1-σ3)/2]sin2θ (6.89)
σn=σ3 (σ1-σ3)cos2θ (6.90)
对于它们的理解,依靠所给出的示意图,应当是不太困难的。
至于应变(strain),是指在应力作用下物体所发生的物理形状或体积的改变。应变有不同类型,我们应认识其中3个比较简单的类型: