发布时间: 2022年11月29日 星期二 专辑:Python
物体在三个力的作用下处于平衡状态,当束缚物体的条件缓慢改变时,物体仍可视为处于平衡状态,我们把这状态下物体所受的三个力称为三力动态平衡。
高中物理中的三力动态平衡问题,通常有以下三个力:一个是大小、方向不变的恒力(一般是重力),另一个是方向不变、大小变化的力,最后一个是大小方向变化的力。处于动态平衡的三个力合力为零,始终构成一个矢量三角形。利用三个力的这一特点,能快速求解各力的变化规律。
使用 Python 可以很方便地绘制如下的示意图。

源代码如下:
'绘制三个力的矢量三角形以求解三力动态平衡问题'
from PIL import Image, ImageDraw
from math import floor, sqrt
def draw_arrow(draw, x1, y1, x2, y2, color):
arrow_size = 10
c = sqrt((x2 - x1) ** 2 + (y2 - y1) ** 2)
sin_a = (y2 - y1) / c
cos_a = (x2 - x1) / c
sin_r = arrow_size * sin_a
cos_r = arrow_size * cos_a
if arrow_size * 3 < c:
x = x2 - cos_r * 3
y = y2 - sin_r * 3
else:
x = x1
y = y1
draw.line((x1, y1, x, y), color, 3)
draw.polygon((x - sin_r, y + cos_r, x + sin_r, y - cos_r, x2, y2), color)
def create_frame(width, height, margin, steps, step):
img = Image.new('RGB', (width, height), (255, 255, 255))
draw = ImageDraw.Draw(img)
x1 = width - margin
y1 = round(margin * 0.75)
x2 = x1
y2 = height - y1
draw_arrow(draw, x1, y1, x2, y2, 'green')
x3, y3 = x1 - 12, y1 + 16
for i in range(floor(steps * 0.24)):
x4 = x3 - 12
y4 = y3 + 16
draw.line((x3, y3, x4, y4), 'orange', 1)
x3, y3 = x4 - 12, y4 + 16
x3, y3 = x2, y2
if step:
x4 = x2 - step * 16
y4 = y2 - step * 12
draw_arrow(draw, x2, y2, x4, y4, 'blue')
draw_arrow(draw, x4, y4, x1, y1, 'red')
x3, y3 = x4, y4
if step % 2 == 0:
x3 -= 16
y3 -= 12
while x3 - 16 > margin:
x4 = x3 - 16
y4 = y3 - 12
draw.line((x3, y3, x4, y4), 'orange', 1)
x3, y3 = x4 - 16, y4 - 12
return img
def create_anim():
width = 800
height = 600
margin = 46
# 绘图区域固定为 4:3
steps = floor((width - margin * 2) * 1.25 / 20) - 1
frames = []
for i in range(steps):
frames.append(create_frame(width, height, margin, steps, i))
frames[0].save('tri_forces.gif', format='GIF', append_images=frames[1:], save_all=True, duration=400, loop=0)
create_anim()
print('OK')
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