nettovoimaon kaikkien kehoon vaikuttavien voimien vektorisumma. (Palautetaan mieleen, että voima on työntö tai vetovoima.) SI-voimayksikkö on newton (N), jossa 1 N = 1 kgm / s2.
\ bold {F_ {net}} = \ bold {F_1 + F_2 + F_3 + ...}
Newtonin ensimmäisen lain mukaan esine, joka käy läpi tasaisen liikkeen - eli se on levossa tai liikkuu vakionopeudella - jatkaa niin edelleen, ellei sitä toimi nollaverkon nettovoima. Newtonin toinen laki kertoo meille nimenomaisesti, kuinka liike muuttuu tämän nettovoiman seurauksena:
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a}
Kiihtyvyys - nopeuden muutos ajan myötä - on suoraan verrannollinen nettovoimaan. Huomaa myös, että sekä kiihtyvyys että nettovoima ovat vektorimääriä, jotka osoittavat samaan suuntaan.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Nollan nettovoima EI välttämättä tarkoita, että esine pysäytetään! Nollan nettovoima EI myöskään tarkoita, että esineeseen ei kohdistu voimia, koska useat voimat voivat toimia tavalla, joka kumoaa toisensa.
Vapaa kehon kaaviot
Ensimmäinen askel minkä tahansa kohteen nettovoiman löytämisessä on piirtää a
vapaakappalekuva(FBD) näyttää kaikki siihen esineeseen vaikuttavat voimat. Tämä tapahtuu edustamalla kutakin voimavektoria nuolena, joka alkaa kohteen keskeltä ja osoittaa suuntaan, johon voima vaikuttaa.Oletetaan esimerkiksi, että kirja istuu pöydällä. Siihen vaikuttavat voimat olisivat kirjan painovoima, joka toimii alaspäin, ja kirjan taulukon normaali voima, joka toimii ylöspäin. Tämän skenaarion vapaan rungon kaavio koostuisi kahdesta saman pituisesta nuolesta, jotka lähtevät kirjan keskiosasta, yksi ylöspäin ja toinen alaspäin.
Oletetaan, että samaa kirjaa työnnettiin oikealle 5 N: n voimalla, kun taas 3 N: n kitkavoima vastusti liikettä. Nyt vapaan rungon kaavio sisältäisi 5-N nuolen oikealle ja 3-N nuolen vasemmalle.
Lopuksi oletetaan, että sama kirja oli kaltevuudella ja liukui alaspäin. Tässä skenaariossa kolme voimaa ovat kirjan painovoima, joka osoittaa suoraan alaspäin; normaali voima kirjassa, joka osoittaa kohtisuoraan pintaan; ja kitkavoima, joka osoittaa liikesuuntaa vastapäätä.
Nettovoiman laskeminen
Kun olet piirtänyt vapaan rungon kaavion, voit käyttää vektorilisäystä löytääksesi objektiin vaikuttavan nettovoiman. Harkitsemme kolmea tapausta, kun tutkimme tätä ajatusta:
Tapaus 1: Kaikki voimat ovat samalla linjalla.
Jos kaikki voimat ovat samalla viivalla (osoittavat vain vasemmalle ja oikealle tai vain ylös ja alas, esimerkiksi), nettovoima määritetään yksinkertaisesti lisäämällä voimien suuruudet positiiviseen suuntaan ja vähentämällä voimien suuruudet negatiivisessa suunta. (Jos kaksi voimaa ovat yhtä suuret ja vastakkaiset, kuten pöydän päällä olevan kirjan tapauksessa, nettovoima = 0)
Esimerkki:Tarkastellaan 1 kg: n palloa, joka putoaa painovoiman vuoksi ja kokee ilmavoimavoiman 5 N. Siinä on alaspäin suuntautuva voima, joka johtuu painovoimasta 1 kg × 9,8 m / s2 = 9,8 N ja ylöspäin suuntautuva voima 5 N. Jos käytämme tapaa, jossa ylöspäin on positiivinen, nettovoima on 5 N - 9,8 N = -4,8 N, mikä osoittaa nettovoiman 4,8 N alaspäin.
Tapaus 2: Kaikki voimat ovat kohtisuorilla akseleilla ja lisäävät arvoa 0 pitkin yhtä akselia.
Tässä tapauksessa, koska voimat kasvavat 0: een yhdessä suunnassa, meidän on keskityttävä vain kohtisuoraan suuntaan määritettäessä nettovoimaa. (Vaikka tieto, jonka ensimmäisessä suunnassa olevat voimat lisäävät arvoon 0, voi joskus antaa meille tietoa voimat kohtisuorassa suunnassa, kuten määritettäessä kitkavoimat normaalivoiman suhteen suuruus.)
Esimerkki:0,25 kg: n leluauto työnnetään lattian yli 3-N voimalla, joka vaikuttaa oikealle. 2 N: n kitkavoima toimii vastustamaan tätä liikettä. Huomaa, että painovoima vaikuttaa myös alaspäin tälle autolle voimalla 0,25 kg × 9,8 m / s2= 2,45 N, ja normaali voima vaikuttaa ylöspäin, myös 2,45 N.(Mistä tiedämme tämän? Koska liikkeessä ei tapahdu muutosta pystysuunnassa, kun autoa työnnetään lattian yli, nettovoiman on siis oltava pystysuunnassa 0.)Tämä tekee kaiken yksinkertaistuvaksi yksiulotteiseen tapaukseen, koska ainoat voimat, jotka eivät poistu, ovat kaikki yhdessä suunnassa. Auton nettovoima on silloin 3 N - 2 N = 1 N oikealle.
Tapaus 3: Kaikki voimat eivät rajoitu viivaan eivätkä ne ole kohtisuorilla akseleilla.
Jos tiedämme mihin suuntaan kiihtyvyys tulee olemaan, valitsemme koordinaatistojärjestelmän, jossa kyseinen suunta on positiivisella x-akselilla tai positiivisella y-akselilla. Sieltä hajotamme jokaisen voimavektorin x- ja y-komponenteiksi. Koska liike yhdessä suunnassa on vakio, siihen suuntautuvien voimien summan on oltava 0. Toiseen suuntaan suuntautuvat voimat ovat silloin ainoat nettovoiman tekijät, ja tämä tapaus on vähentynyt tapaukseen 2.
Jos emme tiedä mihin suuntaan kiihtyvyys tulee olemaan, voimme valita minkä tahansa suorakulmaisen koordinaatin järjestelmä, vaikka onkin yleensä mukavinta valita sellainen, jossa yksi tai useampi voima on akseli. Katkaise kukin voimavektori x- ja y-komponenteiksi. Määritä nettovoimaxsuunta ja nettovoimaysuuntaan erikseen. Tulos antaa nettovoiman x- ja y-koordinaatit.
Esimerkki:0,25 kg: n auto rullaa kitkaa pitkin 30 asteen kaltevuutta painovoiman vuoksi.
Käytämme rampin suuntaista koordinaatistoa kuvan mukaisesti. Vapaarungon kaavio koostuu suoraan alaspäin vaikuttavasta painovoimasta ja pintaan kohtisuoraan vaikuttavasta normaalivoimasta.
Meidän on jaettava painovoima x- ja y-komponentteihin, mikä antaa:
F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) \\ F_ {gy} = F_g \ cos (\ theta)
Liikkeestä lähtienysuunta on vakio, tiedämme, että nettovoimaysuunnan on oltava 0:
F_N - F_ {gy} = 0
(Huomaa: Tämän yhtälön avulla voimme määrittää normaalivoiman suuruuden.)
X-suunnassa ainoa voima onFgxsiten:
F_ {net} = F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) = mg \ sin (\ theta) = 0,25 \ kertaa9,8 \ kertaa \ sin (30) = 1,23 \ teksti {N}
Kuinka löytää kiihtyvyys nettovoimasta
Kun olet määrittänyt nettivoimavektorisi, kohteen kiihtyvyyden löytäminen on yksinkertainen Newtonin toisen lain soveltaminen.
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a} \ merkitsee \ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m}
Aikaisemmassa esimerkissä 0,25 kg: n autosta, joka rullaa alas ramppia pitkin, nettovoima oli 1,23 N ramppia pitkin, joten kiihtyvyys olisi:
\ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m} = \ frac {1.23} {0.25} = 4.92 \ text {m / s} ^ 2 \ text {alas rampilta}