力矩（Torque），也称为扭矩或转矩，是物理学中描述作用力使物体绕某一点或轴线旋转的能力。它可以视为物体受到的力在使其产生旋转时的“力臂效应”。力矩在旋转运动和机械设计中具有重要意义。
力矩的定义
力矩 T\mathbf{T}T 是力 F\mathbf{F}F 对某个旋转点或轴线的作用效果，定义为力和力臂的叉乘：
T=r×F\mathbf{T} = \mathbf{r} \times \mathbf{F}T=r×F
T\mathbf{T}T：力矩向量，表示力使物体旋转的效果。r\mathbf{r}r：力的作用点到旋转中心的位移向量（称为力臂）。F\mathbf{F}F：作用在物体上的力。
力矩的物理意义
力臂：力的作用点与旋转轴之间的距离。力臂越长，力矩越大。力的方向：如果力的方向与位移向量垂直，力矩达到最大值；如果力的方向平行于位移向量，则力矩为零。
力矩的大小可以通过以下公式计算：
∣T∣=∣r∣∣F∣sinθ|\mathbf{T}| = |\mathbf{r}| |\mathbf{F}| \sin \theta∣T∣=∣r∣∣F∣sinθ
其中：
∣T∣|\mathbf{T}|∣T∣ 是力矩的大小。∣r∣|\mathbf{r}|∣r∣ 是力臂的长度。∣F∣|\mathbf{F}|∣F∣ 是作用力的大小。θ\thetaθ 是力臂 r\mathbf{r}r 和力 F\mathbf{F}F 之间的夹角。
力矩的方向由右手定则确定：将右手的手指按力臂的方向卷向力的方向，拇指指向的方向就是力矩的方向。
力矩的单位
力矩的国际单位制（SI）单位是牛顿·米（N·m），表示一个 1 米的力臂上施加 1 牛顿的力所产生的力矩。
力矩的应用
旋转运动：
在旋转系统中，力矩是使物体发生角加速度的原因。根据牛顿的第二定律的角度形式：
T=Iα\mathbf{T} = I \alphaT=Iα
其中：
T\mathbf{T}T 是力矩。III 是物体的转动惯量，表示物体对旋转的抗拒程度。α\alphaα 是角加速度。
机械系统：
在机械系统中，力矩用于衡量驱动轴、螺栓、齿轮等机械部件的旋转能力。例如，在发动机中，扭矩用于表示引擎在曲轴上施加的旋转力。
日常生活中的力矩：
开门：当你靠近门把手推或拉门时，实际上是在施加一个力矩，门把手距离门轴越远，所需的力越小。扳手：使用较长的扳手可以更容易地拧紧或松开螺栓，因为较长的扳手产生更大的力臂，产生更大的力矩。
力矩和力的区别
力：力作用于物体时，改变物体的线性运动（如速度、方向），描述的是物体的平移效果。力矩：力矩描述的是力作用时产生的旋转效果，是力使物体绕某个点或轴旋转的能力。
力矩的例子
螺栓扭矩：使用扳手拧紧螺栓时，施加在螺栓上的力矩越大，螺栓拧得越紧。汽车引擎扭矩：引擎的扭矩决定了车辆加速的能力，扭矩越大，车辆的加速能力越强。
力矩的方向（右手定则）
右手定则用于确定力矩的方向。
把右手的四指沿着力臂的方向卷曲，然后指向力的方向。大拇指指向的方向就是力矩的方向。
力矩的平衡条件
在静力学中，物体保持静止的条件是合力和合力矩均为零。这意味着：
合力为零：物体不发生平移。合力矩为零：物体不发生旋转。
力矩的平衡在日常生活中应用广泛，例如保持建筑结构的稳定或平衡运动中的机械臂。
总结
力矩是描述物体旋转效果的物理量，它的大小取决于力的大小、作用点与旋转轴的距离（力臂）以及力与力臂之间的夹角。力矩广泛应用于机械工程、物理学和日常生活中。