Nettokraft: definition, ekvation, hur man beräknar

Denettokraftär vektorsumman av alla krafter som verkar på en kropp. (Kom ihåg att en kraft är ett tryck eller ett drag.) SI-enheten för kraft är newton (N), där 1 N = 1 kgm / s².

Newtons första lag säger att ett objekt som genomgår enhetlig rörelse - vilket betyder att det är i vila eller rör sig med konstant hastighet - kommer att fortsätta att göra det såvida det inte påverkas av en icke-nollkraft. Newtons andra lag berättar oss uttryckligen hur rörelsen kommer att förändras till följd av denna nettokraft:

Acceleration - förändring i hastighet över tid - är direkt proportionell mot nettokraften. Observera också att både acceleration och nettokraft är vektormängder som pekar i samma riktning.

TL; DR (för lång; Läste inte)

En nettokraft på noll betyder INTE nödvändigtvis att objektet stoppas! En nettokraft på noll betyder inte heller att det inte finns några krafter som verkar på ett föremål eftersom det är möjligt för flera krafter att verka på ett sådant sätt att de avbryter varandra.

Det första steget i att hitta nettokraft på något objekt är att rita afri kroppsdiagram(FBD) som visar alla krafter som verkar på det objektet. Detta görs genom att representera varje kraftvektor som en pil som kommer från objektets centrum och pekar i den riktning kraften verkar.

Anta till exempel att en bok sitter på ett bord. Krafterna som verkar på den skulle vara tyngdkraften på boken, som verkar ner och den normala kraften hos bordet på boken som verkar uppåt. Frikroppsdiagrammet för detta scenario skulle bestå av två pilar av samma längd som härstammar från mitten av boken, en pekar uppåt och den andra pekar nedåt.

Anta att samma bok trycktes till höger med en kraft på 5 N medan en 3-N friktionskraft motsatte sig rörelsen. Nu skulle frikroppsdiagrammet inkludera en 5-N-pil till höger och en 3-N-pil till vänster.

Antag slutligen att samma bok lutade och gled ner. I detta scenario är de tre krafterna gravitationskraften på boken, som pekar rakt ner; den normala kraften på boken, som pekar vinkelrätt mot ytan; och friktionskraften, som pekar motsatt rörelseriktningen.

När du har ritat frikroppsdiagrammet kan du använda vektortillägg för att hitta nettokraften som verkar på objektet. Vi kommer att överväga tre fall när vi utforskar denna idé:

​Fall 1: Alla krafter ligger på samma linje.​

Om alla krafter ligger på samma linje (pekar bara åt vänster och höger, eller bara uppåt och nedåt, till exempel), är att bestämma nettokraften som enkelt som att lägga till krafternas storlek i positiv riktning och subtrahera krafternas storlek negativt riktning. (Om två krafter är lika och motsatta, vilket är fallet med boken vilande på bordet, är nettokraften = 0)

​Exempel:Tänk på en 1 kg boll som faller på grund av tyngdkraften och upplever en luftmotståndskraft på 5 N. Det finns en nedåtriktad kraft på den på grund av tyngdkraften på 1 kg × 9,8 m / s² = 9,8 N och en uppåtgående kraft på 5 N. Om vi ​​använder konventionen att upp är positivt, är nettokraften 5 N - 9,8 N = -4,8 N, vilket indikerar en nettokraft på 4,8 N i nedåtgående riktning.

​Fall 2: Alla krafter ligger på vinkelräta axlar och lägger till 0 längs en axel.​

I det här fallet, på grund av krafter som läggs till 0 i en riktning, behöver vi bara fokusera på den vinkelräta riktningen när vi bestämmer nettokraften. (Även om kunskap om att krafterna i första riktningen lägger till 0 ibland kan vi ge oss information om krafter i den vinkelräta riktningen, såsom vid bestämning av friktionskrafter i termer av den normala kraften magnitud.)

​Exempel:En 0,25 kg leksaksbil skjuts över golvet med en 3-N-kraft som verkar till höger. En friktionskraft på 2 N verkar för att motsätta sig denna rörelse. Observera att tyngdkraften också verkar nedåt på den här bilen med en kraft på 0,25 kg × 9,8 m / s²= 2,45 N, och en normal kraft verkar uppåt, även med 2,45 N.(Hur vet vi detta? Eftersom det inte sker någon förändring i rörelse i vertikal riktning när bilen skjuts över golvet måste nätkraften i vertikal riktning vara 0.)Detta gör allt enklare till det endimensionella fallet eftersom de enda krafterna som inte avbryts är längs en riktning. Nettokraften på bilen är då 3 N - 2 N = 1 N till höger.

​Fall 3: Alla krafter är inte begränsade till en linje och ligger inte på vinkelräta axlar.​

Om vi ​​vet i vilken riktning accelerationen kommer att gå, väljer vi ett koordinatsystem där den riktningen ligger på den positiva x-axeln eller den positiva y-axeln. Därifrån bryter vi varje kraftvektor i x- och y-komponenter. Eftersom rörelse i en riktning är konstant måste summan av krafterna i den riktningen vara 0. Krafterna i den andra riktningen är då de enda bidragsgivarna till nettokraften och detta fall har minskat till fall 2.

Om vi ​​inte vet i vilken riktning accelerationen kommer att gå kan vi välja vilken kartesisk koordinat som helst system, även om det vanligtvis är bekvämast att välja en där en eller flera av krafterna ligger på en axel. Dela upp varje kraftvektor i x- och y-komponenter. Bestäm nettokraften ixriktning och nettokraften iyriktning separat. Resultatet ger x- och y-koordinaterna för nettokraften.

​Exempel:En bil på 0,25 kg rullar utan friktion på 30 graders lutning på grund av tyngdkraften.

Vi kommer att använda ett koordinatsystem i linje med rampen som visas. Frikroppsdiagrammet består av tyngdkraften som verkar rakt ner och den normala kraften som verkar vinkelrätt mot ytan.

Vi måste bryta gravitationskraften in i x- och y-komponenter, vilket ger:

Sedan rörelse iyriktningen är konstant, vi vet att nettokraften iyriktningen måste vara 0:

​(Obs: Denna ekvation tillåter oss att bestämma storleken på den normala kraften.)​

I x-riktningen är den enda kraftenF_gx, därav:

När du väl har bestämt din nettokraftvektor är det enkelt att hitta ett objekts acceleration av Newtons andra lag.

I det föregående exemplet på 0,25 kg bil som rullade nerför rampen var nettokraften 1,23 N nedför rampen, så accelerationen skulle vara: