Jaka jest równowaga cząstki? (Z przykładami)

On Bilans cząstek Jest to stan, w którym cząstka jest, gdy siły zewnętrzne działające na nich są unieważnione ze sobą. Oznacza to, że utrzymuje stały stan, aby mógł wystąpić na dwa różne sposoby w zależności od konkretnej sytuacji.

Pierwszym ma być równowaga statyczna, w której cząstka jest nieruchoma; A druga to równowaga dynamiczna, w której suma sił jest anulowana, ale mimo to cząstka ma jednolity ruch prostoliniowy.

Rysunek 1. Równoważyć formowanie skal. Źródło: Pixabay.

Model cząstek jest bardzo przydatnym podejściem do badania ruchu ciała. Polega na założeniu, że cała masa ciała jest skoncentrowana w jednym punkcie, niezależnie od wielkości obiektu. W ten sposób możesz reprezentować planetę, samochód, elektron lub piłkę bilardową.

[TOC]

Powstała siła

W punkcie reprezentującym obiekt polega na tym, że siły, które się na nim wpływają. Wszystkie te siły można zastąpić singlem, który tworzy ten sam efekt, który jest nazywany wynikowa siła albo Siła wypadkowa I jest oznaczony jako f_R lub f_N.

Zgodnie z drugim prawem Newtona, gdy istnieje niezrównoważona siła, ciało doświadcza przyspieszenia proporcjonalnego do siły:

F_R = m.Do

Gdzie Do To przyspieszenie, że obiekt nabywa dzięki działaniu siły i M Jest to masa obiektu. Co się stanie, jeśli ciało nie zostanie przyspieszone? Dokładnie to, co było wskazane na początku: ciało jest w spoczynku lub porusza się z jednolitym ruchem prostoliniowym, w którym brakuje przyspieszenia.

Dla cząstki w równowadze należy upewnić się, że:

F_R = 0

Ponieważ dodanie wektorów niekoniecznie oznacza moduły, wektory muszą się rozłożyć. Dlatego ważne jest, aby wyrazić:

F_X = m.Do_X = 0; F_I = m.Do_I = 0; F_z = m.Do_z = 0

Darmowe schematy ciała

Aby wizualizować siły działające na cząsteczce, należy wykonać schemat wolnego ciała, w którym wszystkie siły działające na obiekt są reprezentowane przez strzałki.

Może ci służyć: magnetosfera Ziemi: Charakterystyka, struktura, gazy

Poprzednie równania to charakter wektorowy. Rozkładając siły, wyróżniają się znakami. W ten sposób możliwe jest, że suma jego komponentów wynosi zero.

Poniżej są ważne wskazania, aby rysunek był przydatny:

- Wybierz system referencyjny, w którym największa liczba sił znajduje się na osiach współrzędnych.

- Waga jest zawsze pobierana pionowo.

- W przypadku istnienia dwóch lub więcej powierzchni w kontakcie istnieją normalne siły, które zawsze są rysowane przez pchanie ciała i prostopadle do powierzchni, która ją wywiera.

- W przypadku cząstki w równowadze może istnieć tarcie równoległe do powierzchni kontaktowej i przeciwstawienie się możliwemu ruchowi, jeśli cząstka jest rozpatrywana w spoczynku, lub zdecydowanie w opozycji, jeśli cząstka porusza się z MRU (jednolity ruch prostoliniowy).

- Jeśli jest lina, napięcie jest zawsze rysowane i ciągnące ciało.

Sposoby zastosowania warunku równowagi

Rysunek 2. Dwie stosowane siły na różne sposoby na tym samym ciele. Źródło: Self Made.

Dwie siły o równej wielkości i kierunku oraz przeciwne zmysły

Ryc. 2 pokazuje cząstkę, na której działają dwie siły. Na rysunku po lewej stronie cząstka odbiera działanie dwóch sił F₁ i f₂ którzy mają tę samą wielkość i działają w tym samym kierunku i w przeciwnych zmysłach.

Cząstka jest w równowadze, ale mimo to pod warunkiem, że nie można wiedzieć, czy równowaga jest statyczna czy dynamiczna. Potrzebne są więcej informacji o bezwładnościowym systemie odniesienia, z którego obserwuje się obiekt.

Dwie siły o różnej wielkości, równy kierunek i przeciwne zmysły

Rysunek środkowy pokazuje tę samą cząstkę, której ten czas nie jest w równowadze, ponieważ wielkość siły F₂ jest większy niż F₁. Dlatego istnieje niezrównoważona siła, a obiekt ma przyspieszenie w tym samym kierunku co f₂.

Może ci służyć: Darcy Law

Dwie siły o równej wielkości i inny kierunek

Wreszcie na rysunku po prawej obserwujemy ciało, które nie jest również w równowadze. Chociaż f₁ i f₂ Mają tę samą wielkość, siła f₂ Nie jest w tym samym kierunku co 1. Pionowy składnik F₂ Nie jest przeciwdziałany przez żadne inne, a cząsteczka doświadcza przyspieszenia w tym kierunku.

Trzy siły o innym kierunku

Czy cząsteczka może przedstawić trzy siły w równowadze? Tak, tak długo, jak po umieszczeniu czubka każdego z nich, wynikową figurą jest trójkąt. W tym przypadku suma wektora jest zerowa.

Rysunek 3. Cząstka podlegająca działaniu 3 sił może być w równowadze. Źródło: Self Made.

Tarcie

Siła, która często interweniuje w równowadze cząstki, to tarcia statyczne. Wynika to z interakcji obiektu reprezentowanej przez cząstkę z powierzchnią innej. Na przykład książka w równowadze statycznej na nachylonej tabeli jest modelowana jako cząstka i ma schemat wolnego ciała, taki jak następujący:

Rysunek 4. Schemat wolnego ciała książki na pochylonej płaszczyźnie. Źródło: Self Made.

Siła, która zapobiega poślizgnięciu się książce przez powierzchnię nachylonej płaszczyzny i pozostaje w spoczynku, jest tarcie statyczne. Zależy to od charakteru w stylu, które mikroskopowo mają chropowatość z zablokowanymi szczytami, utrudniając ruch.

Maksymalna wartość tarcia statycznego jest proporcjonalna do siły normalnej, która wywiera powierzchnię na podpartym obiekcie, ale prostopadle do wspomnianej powierzchni. W przykładzie książki jest wskazane na niebiesko. Matematycznie wyraża się to w następujący sposób:

F_więcej∝ N

Stała proporcjonalności jest Współczynnik tarcia statycznego μ_S, który jest określony eksperymentalnie, jest bezwymiarowy i zależy od charakteru powierzchni w kontakcie.

F_{S Max} = μ_S N

Dynamiczne tarcie

Jeśli cząstka jest w równowadze dynamicznej, ruch już się dzieje, a tarcie statyczne nie interweniuje więcej. Jeśli obecna jest jakaś siła tarcia, która sprzeciwia się ruchowi, dynamiczne tarcie działa, którego wielkość jest stała i podana przez:

Może ci służyć: jakie są właściwości termiczne i jakie są? (Z przykładami)

F_k = μ_k N

Gdzie μ_k czy on jest Dynamiczny współczynnik tarcia, co zależy również od rodzaju powierzchni w kontakcie. Podobnie jak współczynnik tarcia statycznego, jest bezwymiarowy, a jego wartość jest określana eksperymentalnie.

Wartość dynamicznego współczynnika tarcia jest zwykle niższa niż wartość statycznego wcierania.

Rozwiązany przykład

Książka na rycinie 3 jest w spoczynku i ma masę 1.30 kg. Samolot ma kąt nachylenia 30º. Znajdź współczynnik tarcia statycznego między książką a powierzchnią płaszczyzny.

Rozwiązanie

Ważne jest, aby wybrać odpowiedni system odniesienia, zobacz poniższy rysunek:

Rysunek 5. Książka -bezpłatny schemat ciała na pochylonej płaszczyźnie i rozkładu wagi. Źródło: Self Made.

Waga książki ma wielkość W = mg, Konieczne jest jednak rozbicie go na dwa elementy: W_X I W_I, Ponieważ jest to jedyna siła, która nie spadnie tuż nad żadną z osi współrzędnych. Rozkład masy obserwuje się na rysunku po lewej stronie.

W_I = mg.cosθ = 1.30 x 9.8 x cos 30º n = 11.03 n

W_X = mg.Senθ = 1.30 x 9.8 x sen 30º = 6.37 n

2. miejsce. Prawo Newtona dla osi pionowej to:

N - WY = 0

N = mg. cos θ = 11.03 n.

Zastosowanie drugiego. Prawo Newtona dla osi X, wybierając jako pozytywny kierunek możliwego ruchu:

W_X - F_S = 0

Maksymalne tarcie to F_{S Max}= μ_SN, W związku z tym:

W_X - μ_SN = 0

μ_S = W_X / N = 6.37/11.03 = 0.58

Bibliografia

1. Rex, a. 2011. Podstawy fizyki. osoba. 76 - 90.
2. Serway, r., Jewett, J. (2008). Fizyka nauk i inżynierii. Tom 1. 7^mama. Wyd. Cengage Learning. 120 - 124.
3. Serway, r., Vulle, c. 2011. Podstawy fizyki. 9^na Wyd. Cengage Learning. 99-112.
4. Tippens, s. 1. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7. edycja. MacGraw Hill. 71 - 87.
5. Walker, J. 2010. Fizyka. Addison Wesley. 148-164.