Силы и диаграммы свободного тела
| English | Русский |
|---|---|
| force/fɔːs/ | сила |
| free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ | диаграмма свободного тела |
| newton/ˈnjuːtn/ | ньютон |
| weight/weɪt/ | вес |
| normal force/ˈnɔːml fɔːs/ | сила нормальной реакции опоры |
| tension/ˈtenʃn/ | натяжение |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | трение |
| net force/net fɔːs/ | равнодействующая сила |
Каждое толчок и тяга на одной чистой диаграмме
- Книга на столе ничего не делает — однако на нее одновременно действуют несколько сил.
- Гравитация тянет вниз; стол давит вверх; рука может придать ей боковое движение.
- Чтобы рассуждать четко, физики оставляют на рисунке только силы, действующие на этот один объект.
- Результатом является диаграмма свободного тела — самый полезный чертеж в механике.
Что такое сила
- Сила — это толчок или тяга; вектор, измеряемый в ньютонах ($\text{N}$).
- Она имеет величину и направление, поэтому силы складываются как векторы, а не как обычные числа.
- Сила всегда возникает в результате взаимодействия между двумя объектами.
- $1\ \text{N}$ примерно равно весу небольшого яблока.
Какова единица силы в СИ?
Сила измеряется в ньютонах ($\text{N}$). Джоули измеряют энергию, ватты — мощность, паскали — давление.
Обычные подозреваемые
- Вес $mg$ — притяжение гравитации, всегда направленное прямо вниз.
- Нормальная сила $N$ — реакция поверхности, направленная перпендикулярно самой себе.
- Натяжение $T$ — тяга вдоль веревки или струны.
- Трение $f$ — сопротивление поверхности скольжению, параллельное поверхности.
Какая сила всегда перпендикулярна поверхности, на которой покоится объект?
Нормальная сила определяется как реакция опоры, направленная перпендикулярно самой себе. Трение действует параллельно поверхности.
Построение диаграммы свободного тела
- Сократите объект до точки и нарисуйте каждую силу стрелкой от этой точки.
- Включайте только силы, действующие на объект — никогда не включайте силы, которые он оказывает на другие объекты.
- Направьте каждую стрелку правильно; более длинная стрелка = большая сила.
- Затем равнодействующая сила равна векторной сумме всех них.
Постройте диаграмму свободного тела
Изменяйте приложенную силу, трение и массу, и наблюдайте, как реагируют силовые стрелки и равнодействующая сила.
Диаграмма свободного тела должна включать силы, которые объект оказывает на другие объекты.
Диаграмма свободного тела показывает только силы, действующие на выбранный объект, никогда — силы, которые он оказывает на другие.
Брус толкают по шероховатому столу. Выберите все силы, которые должны быть включены в его диаграмму свободного тела.
Все четыре силы действуют на брусок. Сила, которую брусок оказывает на стол, действует на стол, поэтому она исключается.
Сложение сил
- Складывайте силы по компонентам, как любые векторы.
- Если они скомпенсируются, равнодействующая сила будет равна нулю, и объект сохранит постоянную скорость.
- Если нет, оставшаяся равнодействующая сила вызовет ускорение (в следующих уроках).
- Всегда спрашивайте: какова равнодействующая сила и куда она направлена?
Ящик испытывает $10\ \text{N}$ вправо и $4\ \text{N}$ влево. Чему равна равнодействующая горизонтальная сила в $\text{N}$?
Примем вправо за положительное направление: $10 - 4 = 6\ \text{N}$ вправо.
Равнодействующая сила на объекте — это ____ сумма всех сил, действующих на него.
Силы имеют направление, поэтому они складываются как векторная сумма, а не простая арифметическая.
Нормальная сила не всегда равна весу. На склоне, когда что-то давит на объект сверху или тянет его вверх, $N$ меняется. Никогда не принимайте $N = mg$ за данность — вычисляйте это из сил, перпендикулярных поверхности.
Ящик испытывает $F = 10\ \text{N}$ вправо и трение $f = 4\ \text{N}$ влево.
- Горизонтальная равнодействующая сила $= 10 - 4 = 6\ \text{N}$, направлена вправо.
- Вертикально $N$ и $mg$ скомпенсированы, поэтому ящик остается на полу.
Сила (в ньютонах) — это толчок или тяга, возникающая в результате взаимодействия. Диаграмма свободного тела показывает все силы, действующие на один объект, в виде стрелок от точки. Равнодействующая сила — это их векторная сумма, а нормальная сила не всегда равна $mg$.