剛體是忽略形變和內部運動的物體,物體內每一點的相對位置都是固定的。剛體除了能平移運動,還能轉動。比如地球就是一邊圍繞太陽公轉(平移),一邊自轉(轉動)。
不論是推開一扇門,或是拋一枚硬幣,力除了能改變剛體的平移運動,還能改變其轉動的狀態。力所產生的轉動效果,與力的大小、方向和作用在物體上的位置都有關係。我們通過力矩來衡量力的轉動效果。
以下我們只考慮一個簡單的情況:剛體繞固定軸在平面內的轉動。此時,只有這個平面內的力起作用。
牛頓定律告訴我們一個受力質點如何運動。我們懂得將小球看作質點,計算出它在重力下的拋物線軌跡。
然而,實際物體總是具有一定形狀、內部結構和質量分佈,其運動形式非常豐富。不妨試想,將兩個小球用彈簧連在一起,然後拋在空中,兩個小球會各自劃出怎樣的軌跡呢?我們還能用一個質點來描述這兩個小球全部的運動嗎?
為簡單處理,我們可以把物體視作是剛性的,忽略物體的形變及其內部的運動。物體內每一點的相對位置都是固定的,這樣的物體,稱為剛體。剛體可以整體在空間中平移,這樣的運動能通過一個點的運動來表示;此外,剛體還可以繞某個軸自由的轉動。物體的運動時,通常平移和轉動同時發生。