Schemat wolnego ciała

Co to jest bezpłatny schemat ciała?

A Schemat wolnego ciała, Izolowany schemat ciała lub schemat sił, jest to schemat, w którym siły działające na ciele są reprezentowane przez strzałki.

Musisz upewnić się, że na schemacie wszystkie siły działające na obiekcie, a ponieważ jest to wielkość wektora, strzałka jest odpowiedzialna za wskazanie jego kierunku i znaczenia, podczas gdy jego długość zapewnia wyobrażenie moduł lub intensywność.

Rysunek 1. a) Światło świetlne, które wisi na podporach przez kable, b) Schemat wolnego ciała światła i c) Schemat wolnego ciała w węzłach kablowych. Źródło: Serway, r. Fizyka uczelni.

Na rycinie 1 mamy przykład schematu wolnego ciała, który zamierzamy przeanalizować.

Sytuacja jest następująca: światło, które wisi na reszcie niektórych kabli (ryc. 1A). Na nim działają dwie siły, jedna to ta, którą ćwiczy Ziemia, czyli ciężar. Na schemacie jest to oznaczone jako F_G i zachowuje się pionowo.

Drugą siłą jest napięcie w pionowej linie, zwane T₃ I to idzie pionowo w górę, trzymając światło światła i zapobiegając przejściem na ziemię.

Kiedy problem ma więcej niż jeden obiekt, konieczne jest narysowanie schematu dla każdego osobno.

Węzeł między nachylonymi sznurkami a liną, która trzyma światło, jest uważane za określony obiekt, a jego schemat wolnego ciała znajduje się na rycinie 1c. Zauważ, że dla węzła napięcie T₃ jest skierowany.

Należy zauważyć, że na schemacie wolnego ciała siły, których obiekt wywiera na inne ciała, nie powinny pojawiać się, ale tylko te, które na nim działają.

Przykłady bezpłatnego schematu ciała

Schemat wolnego ciała umożliwia zastosowanie przepisów Newtona, a wraz z nimi określa stan ruchu lub resztę obiektu, na którym działają siły. W przypadku pokazanego światła światła możemy określić wartość napięć w kablach podlegających światłomie.

Może ci służyć: obciążenia martwe: charakterystyka, obliczenia, przykłady

Po poznaniu tych danych wybierane są odpowiednie kable do zawieszenia światła, co spełnia jego funkcję bez upadku.

Darmowe schematy ciała służą do opisania różnych codziennych sytuacji, takich jak te:

Osoba obserwująca bagażnik lub pojemnik

Bardzo często ludzie muszą przenosić ciężkie obiekty, takie jak pojemnik na rysunku. W tym celu muszą wywierać siłę F Na pojemniku, który w tym przykładzie jest pozioma i po prawej stronie, co jest kierunkiem ruchu.

Rysunek 2. Osoba wywiera siłę wielkości F, aby poruszać poziomo ciężki pojemnik. Źródło: Serway, r. Fizyka uczelni.

Ale to nie jedyna siła, która na niego działa, jest też normalna N, Ćwiczone przez płaską powierzchnię platformy z kołami. I wreszcie jest jego waga: F_G, skierowane pionowo w dół.

Normalna jest siła, która powstaje tak długo, jak dwie powierzchnie są w kontakcie i zawsze jest prostopadłe do powierzchni, która ją wywiera. W takim przypadku platforma koła wykonuje normalny na pojemniku.

Blok, który przesuwa się przez nachyloną płaszczyznę

Niektóre biurka mają lekko nachylony stół, aby notatki były wygodniejsze i czytać. Ma również gniazdo A-lapiz, ale wszyscy położyliśmy ołówek na stole z szczeliny i widzieliśmy, jak przesuwa się na stole.

Jakie siły działają na ołówek?

To samo, co działają na bloku pokazanym na następującym schemacie wolnego ciała:

Rysunek 3.- Obiekt (blok lub ołówek), który przesuwa się po nachylonej płaszczyźnie z tarciem, ma pokazany schemat wolnego ciała. Źródło: Giancoli, D. Fizyka: zasady z aplikacjami.

Normalny F_N Jest to siła, którą powierzchnia tabeli wywiera na ołówek lub podparte bloku. W przeciwieństwie do poprzedniego przykładu normalność nie jest pionowa, ale nachylona. Pamiętaj, że normalna jest siła wywierana przez tabelę na bloku i jest prostopadła do niej. Gdy stół jest nachylony, normalne.

Może ci służyć: Pierwszy warunek równowagi: wyjaśnienie, przykłady, ćwiczenia

Jak zawsze waga F_G Jest pionowy, obojętny od nachylenia systemu.

I wreszcie mamy nową siłę, która jest tarciem kinetycznym F_Fr Między tabelą a ołówkiem lub blokiem. Tarcie jest również siłą kontaktową, ale w przeciwieństwie do normalnej, jest styczną (równoległą) siłą do powierzchni. Zwróć również uwagę, że zawsze jest skierowany wbrew ruchowi.

Maszyna Atwood

Maszyna Atwood to prosta maszyna, która składa się z lekkiego koła pasowego i bez tarcia w szynie, przez którą przechodzi lekka i niewykształcalna lina.

Dwa obiekty masowe są zawieszone z tego samego₁ oraz m₂. Gdy jeden z obiektów wzrasta, drugi schodzi, jak pokazano na rycinie 4:

Rysunek 4. Maszyna Atwood i odpowiednie schematy wolnego ciała mas, które zwisają z liny. Źródło: Serway, r. Fizyka uczelni.

Ponieważ istnieją dwa obiekty, wykonany jest osobno swobodnie wytwarzany. Dla obu obiektów są tylko dwie siły: napięcie w linie T i odpowiednie ciężary.

Na rysunku każda waga jest wyrażana bezpośrednio jako iloczyn masy przez przyspieszenie. Ze swojej strony napięcie jest zawsze kierowane pionowo wzdłuż napiętej liny.

Ćwiczenie rozwiązane

Zastosuj prawa Newtona, aby określić przyspieszenie, z jakim masy maszyny Atwood pokazane w poprzedniej sekcji poruszają się.

Rozwiązanie

Drugie prawo Newtona określa, że ​​suma sił jest równa produkkowi masy przez przyspieszenie.

Konwencja znaków w każdej masie może być inna, więc przyjmiemy jako pozytywne poczucie ruchu, jak wskazuje wykres, pierwsza masa wznosi.

Może ci służyć: powierzchowne fale: cechy, typy i przykłady

W niektórych problemach stwierdzenie nie zawiera informacji, wówczas znaki muszą.

-Dla Mass 1 (przesłanie):

T - m₁g = m₁Do

-Dla Mass 2 (niski):

-T + m₂g = m₂Do

Oba równania tworzą układ równań liniowych dwóch niewiadomych, ponieważ napięcie pojawia się z innym znakiem w każdym równaniu, po prostu dodajemy je termin, a napięcie jest anulowane:

M₂G - m₁g = m₁A + m₂Do

a = m₂G - m₁G / (m₁ + M₂)

Bibliografia

1. Bauer, w. 2011. Fizyka inżynierii i nauki. Tom 1. MC Graw Hill.
2. Giancoli, zm.  2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fizyka uczelni. 9na ed. Cengage Learning.
4. Tipler, str. (2006) Physics for Science and Technology. Ed. Tom 1. Redakcja Reverted.
5. Tippens, s. 1. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7. edycja. McGraw Hill