Net Force: Definition, ligning, hvordan man beregner

Detnettokrafter vektorsummen af ​​alle kræfter, der virker på en krop. (Husk, at en kraft er et skub eller et træk.) SI-enheden for kraft er newton (N), hvor 1 N = 1 kgm / s².

Newtons første lov siger, at et objekt, der gennemgår ensartet bevægelse - hvilket betyder at det er i ro eller bevæger sig med konstant hastighed - vil fortsætte med at gøre det, medmindre det påvirkes af en ikke-nul nettokraft. Newtons anden lov fortæller os eksplicit, hvordan bevægelsen vil ændre sig som et resultat af denne nettokraft:

Accelerationen - ændring i hastighed over tid - er direkte proportional med nettokraften. Bemærk også, at både acceleration og nettokraft er vektormængder, der peger i samme retning.

TL; DR (for lang; Har ikke læst)

En nettokraft på nul betyder ikke nødvendigvis, at objektet stoppes! En nettokraft på nul betyder heller ikke, at der ikke er nogen kræfter, der virker på et objekt, da det er muligt for flere kræfter at handle på en sådan måde, at de annullerer hinanden.

Det første trin i at finde nettokraft på ethvert objekt er at tegne enfrit kropsdiagram(FBD), der viser alle de kræfter, der virker på det objekt. Dette gøres ved at repræsentere hver kraftvektor som en pil, der stammer fra objektets centrum og peger i den retning, kraften virker.

Antag for eksempel, at en bog sidder på et bord. De kræfter, der virker på den, ville være tyngdekraften på bogen, der virker nedad, og den normale kraft af bordet på bogen, der virker opad. Frikroppsdiagrammet i dette scenarie ville bestå af to pile af samme længde, der stammer fra midten af ​​bogen, den ene peger opad og den anden peger nedad.

Antag, at den samme bog blev skubbet til højre med en kraft på 5 N, mens en 3-N friktionskraft modsatte sig bevægelsen. Nu vil fritlegemsdiagrammet omfatte en 5-N pil til højre og en 3-N pil til venstre.

Antag endelig, at den samme bog var på skråning og gled ned. I dette scenarie er de tre kræfter tyngdekraften på bogen, der peger lige ned; den normale kraft på bogen, der peger vinkelret på overfladen; og friktionskraften, der peger modsat bevægelsesretningen.

Når du har tegnet fritlegemsdiagrammet, kan du bruge vektortilføjelse til at finde nettokraften, der virker på objektet. Vi vil overveje tre tilfælde, når vi udforsker denne idé:

​Tilfælde 1: Alle kræfter ligger på samme linje.​

Hvis alle kræfterne ligger på samme linje (peger kun til venstre og højre eller kun op og ned, for eksempel), er bestemmelsen af ​​nettokraften som ligetil som at tilføje styrkerne af kræfterne i den positive retning og trække styrkerne af kræfterne negativt retning. (Hvis to kræfter er ens og modsatte, som det er tilfældet med bogen, der hviler på bordet, er nettokraften = 0)

​Eksempel:Overvej en 1 kg kugle, der falder på grund af tyngdekraften, og oplever en luftmodstandskraft på 5 N. Der er en nedadgående kraft på den på grund af tyngdekraften på 1 kg × 9,8 m / s² = 9,8 N og en opadgående kraft på 5 N. Hvis vi bruger konventionen om, at op er positiv, så er nettokraften 5 N - 9,8 N = -4,8 N, hvilket indikerer en nettokraft på 4,8 N i nedadgående retning.

​Tilfælde 2: Alle kræfter ligger på vinkelrette akser og føjes til 0 langs en akse.​

I dette tilfælde behøver vi kun at fokusere på den vinkelrette retning, når nettokraften bestemmes, på grund af kræfter, der tilføjes til 0 i en retning. (Skønt viden om, at kræfterne i første retning føjer til 0, undertiden kan give os information om kræfter i den vinkelrette retning, såsom når man bestemmer friktionskræfter i forhold til den normale kraft størrelsesorden.)

​Eksempel:En 0,25 kg legetøjsbil skubbes over gulvet med en 3-N kraft, der virker til højre. En 2-N friktionskraft virker modstandere af denne bevægelse. Bemærk, at tyngdekraften også virker nedad på denne bil med en kraft på 0,25 kg × 9,8 m / s²= 2,45 N, og en normal kraft virker opad, også med 2,45 N.(Hvordan ved vi det? Fordi der ikke er nogen ændring i bevægelse i lodret retning, når bilen skubbes over gulvet, skal nettokraften i lodret retning være 0).Dette gør alt forenklet til det endimensionelle tilfælde, fordi de eneste kræfter, der ikke annullerer, er langs en retning. Nettokraften på bilen er så 3 N - 2 N = 1 N til højre.

​Tilfælde 3: Alle kræfter er ikke begrænset til en linje og ligger ikke på vinkelrette akser.​

Hvis vi ved, hvilken retning accelerationen vil være i, vælger vi et koordinatsystem, hvor retningen ligger på den positive x-akse eller den positive y-akse. Derfra bryder vi hver kraftvektor i x- og y-komponenter. Da bevægelse i en retning er konstant, skal summen af ​​kræfterne i den retning være 0. Kræfterne i den anden retning er så de eneste bidragydere til nettokraften, og denne sag er reduceret til sag 2.

Hvis vi ikke ved, hvilken retning accelerationen vil være i, kan vi vælge en hvilken som helst kartesisk koordinat system, selvom det normalt er mest bekvemt at vælge en, hvor en eller flere kræfter ligger på en akse. Opdel hver kraftvektor i x- og y-komponenter. Bestem nettokraften ixretning og nettokraften iyretningen separat. Resultatet giver x- og y-koordinaterne for nettokraften.

​Eksempel:En bil på 0,25 kg ruller uden friktion ned ad en 30 graders hældning på grund af tyngdekraften.

Vi bruger et koordinatsystem, der er tilpasset rampen som vist. Diagrammet for frit legeme består af tyngdekraften, der virker lige ned og den normale kraft, der virker vinkelret på overfladen.

Vi skal bryde tyngdekraften ind i x- og y-komponenter, som giver:

Siden bevægelse iyretning er konstant, vi ved, at nettokraften iyretningen skal være 0:

​(Bemærk: Denne ligning giver os mulighed for at bestemme størrelsen af ​​den normale kraft.)​

I x-retningen er den eneste kraftF_gx, derfor:

Når du først har bestemt din nettokraftvektor, er det en simpel anvendelse af Newtons anden lov at finde frem til accelerationen af ​​et objekt.

I det foregående eksempel på en 0,25 kg bil, der rullede ned ad rampen, var nettokraften 1,23 N ned ad rampen, så accelerationen ville være: