Forțe mecanice; Cunoștințe de bază despre fizică
Puteți recunoaște forțele după efectele pe care le produc. Dacă un corp este deformat sau viteza acestuia se schimbă, o forță este întotdeauna cauza. Cu toate acestea, forțele pot acționa și fără a schimba starea de mișcare a unui corp sau fără ca acesta să fie (vizibil) deformat. În acest caz, mai multe forțe care acționează simultan se anulează reciproc în efectul lor („interacțiunea mai multor forțe”).
La tir cu arcul, coarda este întinsă, iar arcul este deformat elastic. Dacă eliberați șirul, tensiunea arcului accelerează săgeata.
Legile lui Newton¶
Cele trei principii prezentate pe scurt mai jos reprezintă baza mecanicii clasice, care au fost scrise pentru prima dată în această formă în 1687 de Isaac Newton.
Prima lege a lui Newton („legea inerției”)
Pentru a schimba o stare de mișcare, adică pentru a accelera, este întotdeauna necesară o forță. Motivul pentru aceasta rezidă în așa-numita „inerție”, o proprietate a fiecărui corp de a rezista accelerației datorită masei sale. Inițial, Galileo Galilei și Isaac Newton au formulat această lege așa ceva:
Când un corp se mișcă în linie dreaptă cu o viteză fixă, cantitatea și direcția mișcării vor rămâne constante până când o forță își schimbă mișcarea. Faptul că în viața de zi cu zi suntem obișnuiți ca obiectele să ajungă în cele din urmă să se odihnească singuri fără forțe de accelerare se datorează forțelor de frecare care nu pot fi niciodată evitate complet și rezistenței aerului. Cu toate acestea, în spațiu, în care nu există frecare din cauza absenței materiei, planetele orbitează soarele lor timp de multe milioane de ani, fără a-și pierde viteza.
Frânarea unui corp corespunde, de asemenea, accelerației (negative) și, în consecință, necesită o forță.
A doua lege a lui Newton („legea forței”)
Cauza accelerării sau deformării este denumită în general forță. Relația cantitativă dintre magnitudinea unei forțe și accelerația pe care o provoacă a fost descrisă pentru prima dată de Isaac Newton sub forma unei ecuații matematice.
Mărimea unei forțe este proporțională cu accelerația pe care o experimentează un corp de masă prin ea: [2]
(1) ¶
Direcția accelerației corespunde direcției forței de accelerație.
Forțele sunt date în unitatea Newton:
Un corp de masă experimentează o accelerare de o forță de .
Acest lucru se aplică în spațiu, în vid și, în general, ori de câte ori nu există frecare. Accelerația reală poate fi semnificativ mai mică în practică datorită forțelor de frecare.
corespunde greutății unui corp greu pe pământ.
O masă de experiențe o greutate de aproximativ pe pământ. În cădere liberă, pământul exercită o accelerație în jur (mai precis:) asupra ta.
Forțele sunt denumite în funcție de cauza lor (forța musculară, forța magnetică, forța motorie etc.) sau în funcție de efectul lor (forța de tracțiune, forța de compresie, forța motrice, forța de deformare etc.).
| forta | Cantitatea de forță în |
| Greutatea unei litere normale | |
| Greutatea unei bare de ciocolată | |
| Greutatea unui litru de apă | |
| Greutatea unui kilogram de zahăr | |
| Greutatea unei persoane | |
| Tragerea puterii unei mașini | |
| Puterea de tragere a unei locomotive | |
| Atracția Pământului către lună |
A treia lege a lui Newton („forță și contra forță”)
Fiecare forță are o contraforță la fel de mare. Forța și contra forța au direcții opuse și acționează asupra diferitelor corpuri - nu se pot anula reciproc.
O greutate atârnă de un fir. Firul previne căderea specimenului. Există o forță în el care este la fel de mare ca greutatea corpului. Ambele forțe diferă în direcția lor. Forța din fir și greutatea au direcții opuse, se anulează reciproc prin efectul lor.
Forța și forța pe o greutate suspendată.
Dacă tăiați firul, corpul se mișcă în linie dreaptă cu accelerație constantă datorită tragerii gravitaționale a pământului (rezistența la aer este neglijată). Deoarece toate forțele acționează reciproc, corpul atrage și pământul. Pământul „cade” spre corp - efectul este atât de mic încât nu îl observăm.
Cantitatea, linia de acțiune și punctul de atac¶
Pentru a putea prezice efectul unei forțe, nu numai că trebuie să cunoaștem magnitudinea („cantitatea”) unei forțe, ci și să știm în ce moment acționează și în ce direcție acționează.
Un vector de forță este clar definit de cantitatea, linia sa de acțiune și punctul său de aplicare.
În sistemele de coordonate și în desene, forțele sunt de obicei reprezentate de săgeți („vectori”). Se aplică următoarele:
- Lungimea săgeții indică pe o anumită scară (de exemplu) cantitatea de forță. Alegerea scalei este arbitrară, dar trebuie să se aplice în mod egal tuturor forțelor dintr-un desen.
- Punctul de plecare al săgeții este același cu punctul de aplicare a forței.
- Direcția săgeții corespunde liniei de acțiune a forței.
Vectorul de forță poate fi deplasat după cum este necesar de-a lungul liniei de acțiune cu o transmisie de forță adecvată fără a schimba nimic în efectul fizic al forței.
Transmisie de putere cu frânghie, tijă și lanț
În multe cazuri este util să lăsați o forță să acționeze „de la distanță”, adică să-și deplaseze punctul de aplicație de-a lungul liniei sale de acțiune.
- Forțele de tracțiune pot fi transferate către un alt corp folosind corzi și lanțuri,
- Prin intermediul tijelor - și într-o anumită măsură și cu firele - atât forțele de tracțiune, cât și forțele de compresie pot fi transferate către un alt corp.
Roțile dințate și rack-urile sunt de obicei utilizate în transmisii pentru transmisia puterii.
Deformare și elasticitate¶
În plus față de viteză, forțele pot schimba și forma unui corp. În funcție de materialul corpului, deformările sunt posibile în două moduri:
Într-un proces elastic, deformarea unui corp se retrage atunci când forța de deformare dispare. Un material elastic tipic este cauciucul, dar multe metale (de ex. Oțelul) au și ele un efect elastic dacă forța nu este prea mare.
Exemplu: O minge de cauciuc revine la forma inițială atunci când nu mai există forțe care acționează asupra ei.
Într-un proces plastic, deformarea rămâne atunci când forța nu mai este eficientă. Materialele plastice tipice sunt argila de modelat, ceara, argila, plumbul etc.
Exemplu: Deformația unei bile comprimate din ceară sau lut de modelat rămâne.
Nu există nicio țesătură care să fie perfect elastică sau complet inelastică. Dacă acționează doar forțe mici, cuprul, de exemplu, se comportă elastic. Cu forțe mari se comportă plastic.
Măsurarea forței¶
Efectul deformant al forței este adesea folosit pentru a măsura forța mecanică. De exemplu, cu cât răsuciți un arc elicoidal sau îl îndepărtați, cu atât este mai mare forța de tensiune cu care arcul rezistă deformării. Dacă există o scară adecvată pe un arc, forța care acționează asupra acestuia poate fi citită direct. Deoarece un arc nu poate fi întins în mod arbitrar, există dinamometre cu arcuri cu durități și scale diferite ale arcului, care sunt potrivite pentru diferite domenii de măsurare.
Exemplu de dinamometru cu arc.
În cazul corpurilor în mișcare, de exemplu mașinile, forța poate fi determinată dintr-o schimbare a vitezei corpului - cu toate acestea, masa corpului trebuie cunoscută pentru aceasta. Dacă măsurați modificarea vitezei și timpul necesar pentru aceasta, puteți calcula accelerația și, inserând-o în ecuația (1), obțineți forța efectivă:
Forțe aparente¶
Cu ajutorul legilor lui Newton, mișcarea unui corp poate fi descrisă în mod adecvat într-un sistem de referință în repaus sau într-un sistem de referință liniar (așa-numitul „sistem inerțial”). Într-un sistem de referință accelerat, totuși, așa-numitele „forțe aparente” trebuie luate în considerare pentru a descrie mișcările.
De exemplu, dacă vă aflați într-un vagon de mișcare constantă sau staționar și aruncați o minge vertical în aer, ea aterizează din nou în mâna voastră. Cu toate acestea, dacă trenul accelerează după ce mingea a părăsit mâna, atunci din perspectiva aruncătorului accelerat de tren, pare să se îndepărteze de mână în cursul zborului. Deci, în timp ce pentru un observator exterior trenul se îndepărtează de sub minge, care se deplasează uniform în direcția orizontală, un observator din tren trebuie să se gândească la o forță pe minge care este opusă accelerației trenului pentru a putea prevedea mișcarea corectă a mingii.
O forță care apare doar într-un sistem de referință accelerat se numește forță aparentă. Este egal cu produsul masei obiectului accelerat și o accelerație care este egală cu accelerația sistemului de referință, dar acționează în direcția opusă:
O forță aparentă importantă este forța de inerție care apare, de exemplu, atunci când vehiculele accelerează sau frânează. Un caz special al acestui efect de inerție este forța centrifugă într-o mișcare circulară. Forțele inerțiale sunt utilizate și în aplicații tehnice atunci când se obține o forță mare prin frânarea rapidă a unui obiect, de exemplu atunci când se ciocnește, se presează etc.
Dacă un observator și obiectul observat se află într-un sistem de referință accelerat, vor experimenta aceeași accelerație ca și obiectul însuși.Din punctul de vedere al acestui observator, obiectul este în repaus sau se mișcă cu o viteză constantă; forțele care acționează asupra obiectului se adaugă la zero din punctul de vedere al observatorului co-accelerat.
Din punctul de vedere al unui observator staționar, dinamica obiectului (în comparație cu perspectiva unui observator co-accelerat) diferă doar prin forța de inerție. Astfel, într-un sistem de referință în repaus, trebuie aplicate următoarele forțe care acționează asupra obiectului:
Această ecuație poartă numele descoperitorului său și este denumită în mod obișnuit principiul lui D’Alembert. Poate fi folosit pentru a urmări procesele dinamice înapoi la condiții de echilibru static și astfel să le putem calcula mai ușor.
În notația matematică, aceasta înseamnă că vectorul de viteză al unui corp rămâne constant atunci când suma tuturor forțelor de acțiune este zero:
Există experimente și exerciții pentru această secțiune .