чиста сила- векторна сума всіх сил, що діють на тіло. (Згадайте, що сила - це поштовх чи тяга.) Одиницею сили СІ є ньютон (N), де 1 N = 1 кгм / с2.
\ bold {F_ {net}} = \ bold {F_1 + F_2 + F_3 + ...}
Перший закон Ньютона стверджує, що об’єкт, який рухається рівномірно, тобто він перебуває в стані спокою або рухається з постійною швидкістю, буде продовжувати це робити, якщо на нього не впливатиме ненульова сила. Другий закон Ньютона чітко говорить нам, як рух зміниться внаслідок цієї чистої сили:
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a}
Прискорення - зміна швидкості в часі - прямо пропорційне чистій силі. Зауважимо також, що і прискорення, і чиста сила є векторними величинами, які спрямовані в одному напрямку.
TL; ДР (занадто довгий; Не читав)
Чиста сила нуля НЕ обов’язково означає, що об’єкт зупинено! Нульова чиста сила також НЕ означає, що на об’єкт не діють сили, оскільки багато сил можуть діяти таким чином, що вони виключають одна одну.
Діаграми вільного тіла
Першим кроком у пошуку чистої сили на будь-який предмет є накреслення a
Наприклад, припустимо, що книга сидить на столі. Сили, що діють на неї, були б силою тяжіння на книгу, що діє вниз, і нормальною силою столу на книгу, що діє вгору. Діаграма вільного тіла за цим сценарієм могла б складатися з двох стрілок однакової довжини, що йдуть від центру книги, одна спрямована вгору, а друга - вниз.
Припустимо, ту саму книгу штовхали праворуч із силою 5 Н, тоді як сила тертя 3 Н протистояла руху. Тепер діаграма вільного тіла включатиме стрілку 5-N вправо та 3-N стрілку вліво.
Нарешті, припустимо, що та сама книга знаходилася під нахилом, ковзаючи вниз. У цьому сценарії три сили є силою тяжіння на книзі, яка спрямована прямо вниз; нормальна сила на книгу, яка вказує перпендикулярно поверхні; і сила тертя, яка вказує навпроти напрямку руху.
Розрахунок чистої сили
Після того, як ви намалювали діаграму вільного тіла, ви можете використовувати додавання векторів, щоб знайти чисту силу, що діє на об'єкт. Досліджуючи цю ідею, ми розглянемо три випадки:
Випадок 1: Усі сили лежать на одній лінії.
Якщо всі сили лежать на одній лінії (наприклад, вказуючи лише вліво і вправо, або лише вгору і вниз, наприклад), то чиста сила визначається як прямолінійний, як додавання величин сил в позитивному напрямку і віднімання величин сил в негативному напрямку напрямку. (Якщо дві сили рівні і протилежні, як у випадку з книгою, що лежить на столі, чиста сила = 0)
Приклад:Розглянемо 1-кілограмову кульку, що падає через гравітацію, відчуваючи силу опору повітря 5 Н. На ньому діє сила зниження завдяки силі тяжіння 1 кг × 9,8 м / с2 = 9,8 Н, а сила вгору 5 Н. Якщо ми використовуємо допущення, що вгору позитивне, то чиста сила дорівнює 5 Н - 9,8 Н = -4,8 Н, що вказує на чисту силу 4,8 Н у напрямку вниз.
Випадок 2: Усі сили лежать на перпендикулярних осях і додаються до 0 вздовж однієї осі.
У цьому випадку через сили, що додаються до 0 в одному напрямку, нам потрібно лише зосередитись на перпендикулярному напрямку при визначенні чистої сили. (Хоча знання про те, що сили в першому напрямку додаються до 0, іноді можуть дати нам інформацію про сили в перпендикулярному напрямку, наприклад, при визначенні сил тертя через нормальну силу величини.)
Приклад:Іграшковий автомобіль вагою 0,25 кг штовхають по підлозі силою 3 Н, що діє вправо. Сила тертя в 2 Н діє проти цього руху. Зверніть увагу, що сила тяжіння також діє на цей автомобіль із силою 0,25 кг × 9,8 м / с2= 2,45 Н, а нормальна сила діє вгору, також з 2,45 Н.(Звідки ми це знаємо? Оскільки рух у вертикальному напрямку не змінюється, коли автомобіль штовхається по підлозі, отже, чиста сила у вертикальному напрямку повинна бути 0.)Це робить все спрощеним до одновимірного випадку, оскільки єдині сили, які не відміняються, вздовж одного напрямку. Тоді чисте зусилля на автомобілі дорівнює 3 Н - 2 Н = 1 Н праворуч.
Випадок 3: Усі сили не обмежуються прямою лінією і не лежать на перпендикулярних осях.
Якщо ми знаємо, в якому напрямку буде прискорення, ми виберемо систему координат, де цей напрямок лежить на позитивній осі x або позитивній осі y. Звідти ми розбиваємо кожен вектор сили на x- та y-компоненти. Оскільки рух в одному напрямку постійний, сума сил у цьому напрямку повинна бути 0. Тоді сили в іншому напрямку є єдиними чинниками чистої сили, і цей випадок зменшився до випадку 2.
Якщо ми не знаємо, в якому напрямку буде прискорення, ми можемо вибрати будь-яку декартову координату систему, хоча зазвичай найзручніше вибрати таку, в якій одна або кілька сил лежать на вісь. Розбийте кожен вектор сили на x- та y-компоненти. Визначте чисту силу вхнапрямок і чиста сила врнапрям окремо. Результат дає координати x та y чистої сили.
Приклад:Легковий автомобіль вагою 0,25 кг котиться без тертя по 30-градусному нахилу завдяки силі тяжіння.
Ми будемо використовувати систему координат, вирівняну до рампи, як показано. Діаграма вільного тіла складається з сили тяжіння, що діє прямо вниз, і нормальної сили, що діє перпендикулярно поверхні.
Ми повинні розбити силу тяжіння на x- та y-компоненти, що дає:
F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) \\ F_ {gy} = F_g \ cos (\ theta)
Оскільки рух врнапрям постійний, ми знаємо, що чиста сила врнапрямок повинен бути 0:
F_N - F_ {gy} = 0
(Примітка: Це рівняння дозволяє нам визначити величину нормальної сили.)
У напрямку х єдиною силою єFgx, отже:
F_ {net} = F_ {gx} = F_g \ sin (\ theta) = mg \ sin (\ theta) = 0,25 \ times9,8 \ times \ sin (30) = 1,23 \ text {N}
Як знайти прискорення з чистої сили
Після того, як ви визначили вектор чистої сили, знаходження прискорення об’єкта є простим застосуванням другого закону Ньютона.
\ bold {F_ {net}} = m \ bold {a} \ означає \ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m}
У попередньому прикладі 0,25-кілограмового автомобіля, який котився по рампі, чиста сила дорівнювала 1,23 Н вниз по рампі, тому прискорення було б таким:
\ bold {a} = \ frac {\ bold {F_ {net}}} {m} = \ frac {1,23} {0,25} = 4,92 \ text {m / s} ^ 2 \ text {вниз по рампі}