Вравнодействующая сила- векторная сумма всех сил, действующих на тело. (Напомним, что сила - это толчок или тяга.) Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон (Н), где 1 Н = 1 кгм / с.2.
\ bold {F_ {net}} = \ bold {F_1 + F_2 + F_3 + ...}
Первый закон Ньютона гласит, что объект, совершающий равномерное движение - то есть он находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью - будет продолжать делать это, если на него не действует ненулевая результирующая сила. Второй закон Ньютона прямо говорит нам, как движение изменится в результате этой чистой силы:
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a}
Ускорение - изменение скорости во времени - прямо пропорционально чистой силе. Также обратите внимание, что и ускорение, и результирующая сила являются векторными величинами, которые указывают в одном направлении.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Чистая сила, равная нулю, НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО означает, что объект остановлен! Чистая сила, равная нулю, также НЕ означает, что на объект не действуют силы, поскольку несколько сил могут действовать таким образом, что они нейтрализуют друг друга.
Диаграммы свободного тела
Первый шаг в нахождении чистой силы, действующей на любой объект, - это нарисоватьдиаграмма свободного тела(FBD) показывает все силы, действующие на этот объект. Это делается путем представления каждого вектора силы в виде стрелки, исходящей из центра объекта и указывающей направление действия силы.
Например, предположим, что на столе лежит книга. Силы, действующие на него, будут силой тяжести на книгу, действующей вниз, и нормальной силой стола, действующей на книгу, направленной вверх. Диаграмма свободного тела в этом сценарии будет состоять из двух стрелок одинаковой длины, исходящих из центра книги, одна направлена вверх, а другая - вниз.
Предположим, ту же книгу толкают вправо с силой 5 Н, в то время как сила трения 3 Н препятствует движению. Теперь диаграмма свободного тела будет включать стрелку 5-N вправо и стрелку 3-N слева.
Наконец, предположим, что та же книга скользит вниз по наклонной поверхности. В этом сценарии три силы - это сила тяжести, действующая на книгу, направленную прямо вниз; нормальная сила, действующая на книгу, которая направлена перпендикулярно поверхности; и сила трения, которая направлена против направления движения.
Расчет чистой силы
После того, как вы нарисовали диаграмму свободного тела, вы можете использовать векторное сложение, чтобы найти чистую силу, действующую на объект. В процессе изучения этой идеи мы рассмотрим три случая:
Случай 1. Все силы лежат на одной линии.
Если все силы лежат на одной и той же линии (например, указывая только влево и вправо или только вверх и вниз), итоговая сила определяется следующим образом: просто, как сложение величин сил в положительном направлении и вычитание величин сил в отрицательном направлении. направление. (Если две силы равны и противоположны, как в случае с книгой, лежащей на столе, результирующая сила = 0)
Пример:Представьте себе мяч весом 1 кг, падающий под действием силы тяжести и испытывающий силу сопротивления воздуха 5 Н. На него действует сила тяжести 1 кг × 9,8 м / с.2 = 9,8 Н и восходящая сила 5 Н. Если мы используем соглашение, что верх положительный, то чистая сила составляет 5 Н - 9,8 Н = -4,8 Н, что указывает на чистую силу 4,8 Н в направлении вниз.
Случай 2: Все силы лежат на перпендикулярных осях и складываются с 0 вдоль одной оси.
В этом случае из-за того, что силы добавляются к 0 в одном направлении, нам нужно только сосредоточиться на перпендикулярном направлении при определении чистой силы. (Хотя знание того, что силы в первом направлении складываются с 0, иногда может дать нам информацию о силы в перпендикулярном направлении, например, при определении сил трения в терминах нормальной силы величина.)
Пример:Игрушечную машинку весом 0,25 кг толкают по полу с силой 3 Н., действующей вправо. Этому движению препятствует сила трения 2 Н. Обратите внимание, что сила тяжести также действует на этот автомобиль вниз с силой 0,25 кг × 9,8 м / с.2= 2,45 Н, и нормальная сила действует вверх, также с 2,45 Н.(Откуда нам это знать? Поскольку при толкании машины по полу движение в вертикальном направлении не меняется, следовательно, результирующая сила в вертикальном направлении должна быть равна 0.)Это упрощает все до одномерного случая, потому что единственные силы, которые не компенсируются, действуют в одном направлении. Таким образом, результирующая сила, действующая на автомобиль, составляет 3 Н - 2 Н = 1 Н справа.
Случай 3: Все силы не ограничены одной линией и не лежат на перпендикулярных осях.
Если мы знаем, в каком направлении будет ускорение, мы выберем систему координат, в которой это направление лежит на положительной оси x или положительной оси y. Отсюда мы разбиваем каждый вектор силы на x- и y-компоненты. Поскольку движение в одном направлении постоянно, сумма сил в этом направлении должна быть равна 0. Тогда силы в другом направлении являются единственными участниками суммарной силы, и этот случай сократился до случая 2.
Если мы не знаем, в каком направлении будет ускорение, мы можем выбрать любую декартову координату систему, хотя обычно удобнее всего выбрать такую, в которой одна или несколько сил лежат на ось. Разбейте каждый вектор силы на x- и y-компоненты. Определите чистую силу вИкснаправление и чистая сила вунаправление отдельно. Результат дает x- и y-координаты чистой силы.
Пример:Автомобиль весом 0,25 кг катится без трения по склону под 30 градусов под действием силы тяжести.
Мы будем использовать систему координат, выровненную по рампе, как показано. Диаграмма свободного тела состоит из силы тяжести, действующей прямо вниз, и нормальной силы, действующей перпендикулярно поверхности.
Мы должны разбить гравитационную силу на x- и y-компоненты, что дает:
F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) \\ F_ {gy} = F_g \ cos (\ theta)
Поскольку движение вунаправление постоянно, мы знаем, что чистая сила вунаправление должно быть 0:
F_N - F_ {gy} = 0
(Примечание: это уравнение позволяет нам определить величину нормальной силы.)
В направлении x единственная силаFgx, следовательно:
F_ {net} = F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) = mg \ sin (\ theta) = 0,25 \ times9,8 \ times \ sin (30) = 1,23 \ text {N}
Как найти ускорение от Net Force
После определения вектора чистой силы определение ускорения объекта - это простое применение второго закона Ньютона.
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a} \ подразумевает \ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m}
В предыдущем примере автомобиля весом 0,25 кг, скатывающегося по рампе, полезная сила на спуске составила 1,23 Н, поэтому ускорение будет следующим:
\ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m} = \ frac {1.23} {0.25} = 4.92 \ text {m / s} ^ 2 \ text {вниз по рампе}