Witamy w fascynującym świecie siły sieci, a kluczowe pojęcie w fizyce który rządzi ruch i przyspieszenie obiektów. W tym poście na blogu rozwikłamy najważniejsze zasady, równania, zastosowania w świecie rzeczywistym i praktyczne przykłady związane z siłą wypadkową.
Gdy opanujemy te ważne koncepcje, zyskasz cenny wgląd w to, jak to zrobić siły oddziałują w naszym wszechświecie a nawet odkryć sposoby poprawić swoje codzienne życie poprzez zrozumienie siły wypadkowej.
Na wynos
- Siła wypadkowa to całkowita siła działająca na obiekt kiedy wszystkie indywidualne siły są połączone.
- Siły przeciwstawne odgrywają kluczową rolę w określaniu siły wypadkowej działającej na obiekt, a do jej obliczania stosuje się dodawanie wektorów.
- Zrozumienie związek między siłą wypadkową a przyspieszeniem ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia ruchu i przyspieszenia w fizyce.
- Obliczanie siły netto ze składowymi poziomymi i pionowymi za pomocą trygonometrii pomaga określić zarówno poziome, jak i pionowe kierunki ruchu określonego obiektu.
Definicja siły i jej roli w świecie przyrody
W dziedzinie fizyki siła jest definiowana jako a pchanie lub ciągnięcie wywierane na przedmiot że może spowodować zmianę jego ruchu lub kształtu. Ta podstawowa koncepcja jest odpowiedzialny za sposób interakcji i ruchu obiektów w naszym świecie przyrody.
Rola siły wykracza poza zwykłe codzienne czynności, takie jak podnoszenie przedmiotów; to też odgrywać rolę w zjawiskach na dużą skalę jak pływy, trzęsienia ziemi, a nawet ruchy planet.
Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że siły zawsze działają razem, aby zapewnić równowagę – lub równowagę różnych systemów występujących w przyrodzie.
Definicja siły wypadkowej działającej na obiekt
W dziedzinie fizyki siła wypadkowa odgrywa kluczową rolę w określaniu ruchu i przyspieszenia obiektu. Siła netto jest zdefiniowana jako suma wektorowa wszystkich poszczególnych sił działające na obiekt w określonym czasie.
Na przykład,
Rozważmy książkę leżącą na stole, popychaną przez dwie osoby o równych, ale przeciwnych siłach. Jedna osoba pcha z lewej strony z siłą 50 N (niutonów) i kolejny z prawej z 50 N.
Te przeciwstawne działania skutkują zerową siłą netto ponieważ znoszą się nawzajem, pozostawiając książkę nieruchomą.
Jeśli jednak jedna osoba wywiera większy nacisk niż druga, powiedzmy 80 N zamiast 50 N, wystąpi niezrównoważona lub niezerowa siła wypadkowa powodująca ruch lub przyspieszenie w jednym kierunku.
Jak siła wypadkowa wpływa na ruch i przyspieszenie?
Siła wypadkowa odgrywa kluczową rolę w określaniu ruchu i przyspieszenia obiektu. Mówiąc prościej, im większa wypadkowa siła działająca na obiekt, tym większe będzie jego przyspieszenie.
Rozważmy na przykład dwa obiekty, jeden o dużej masie (jak ciężarówka), a drugi o mniejszej masie (rower).
Jeśli na oba działają równe wielkości sił zewnętrznych netto, ich przyspieszenia będą się różnić w zależności od ich odpowiednich mas.
Lżejszy rower przyspieszałby szybciej w porównaniu z cięższą ciężarówką ze względu na różnicę w masie.
Siła Jako Wektor: Wielkość I Kierunek
Aby zrozumieć, w jaki sposób siły wpływają na ruch obiektów, ważne jest, aby postrzegać je jako wektory o wielkości i kierunku.
Innymi słowy, siła to nie tylko liczba, ale także strzałka skierowana w określonym kierunku.
Rozważanie siły jako wektora pomaga nam określić siłę wypadkową działającą na obiekt poprzez dodawanie lub odejmowanie poszczególnych sił na podstawie ich wielkości i kierunków.
To koncepcja pozwala na dokładniejsze przewidywanie ruchu i przyspieszenia, zwłaszcza gdy w grę wchodzi wiele sił.
Pierwsze prawo Newtona i rola siły wypadkowej
Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że a obiekt w spoczynku pozostanie w spoczynku, Oraz obiekt w ruchu pozostanie w ruchu jednostajnym chyba że działa na nim a siła zewnętrzna netto.
Oznacza to, że jeśli na obiekt nie działa siła wypadkowa, jego prędkość się nie zmieni.
Siła wypadkowa to suma wszystkich sił działające na obiekt, biorąc pod uwagę zarówno ich wielkość, jak i kierunek.
Na przykład,
Wyobraź sobie, że przesuwasz ręką klocek po stole. Siła wywierana na klocek powoduje, że porusza się on do przodu, aż w końcu się zatrzyma siła tarcias między blokiem a powierzchnią stołu.
W tym scenariuszu, gdy przestaniesz pchać klocek, przestanie się on poruszać, ponieważ nie działają już na niego żadne zewnętrzne siły wypadkowe.
Bez żadnych dodatkowych przyłożonych lub zewnętrznych sił blok pozostawałby w miejscu przez czas nieokreślony, ponieważ jego stan początkowy był stanem zerowego przyspieszenia (w spoczynku).
Formuła siły netto: obliczanie siły rządzącej ruchem
Wzór na siłę wypadkową służy do obliczania całkowitej siły działającej na obiekt, która reguluje jego ruch i przyspieszenie.
Elementy formuły siły wypadkowej
Połączenia formuła siły netto jest sumą wszystkich sił działających na obiekt w określonym kierunku. Aby to obliczyć, musimy to zrozumieć siła jest wielkością wektorową, co oznacza, że ma zarówno wielkość, jak i kierunek.
Dlatego dodając lub odejmując siły, musimy wziąć pod uwagę ich kierunki.
Na przykład,
Wyobraź sobie samochód pchany przez dwie osoby jednocześnie z siłą odpowiednio 90 N i 20 N w przeciwnych kierunkach.
Wypadkowa siła działająca na samochód wynosiłaby:
(90 – 20) N = 70 N
w kierunku większej siły, ponieważ jest niezrównoważona i spowoduje przyspieszenie zgodnie z Pierwsza zasada dynamiki Newtona.
Obliczanie siły netto ze składowymi poziomymi i pionowymi
Obliczanie siły wypadkowej ze składową poziomą i pionową to: ważny aspekt zrozumienia ruchu obiektów.
Kiedy na obiekt działają różne siły, każda siła może być z podziałem na składowe poziome i pionowe za pomocą trygonometria.
Na przykład, wyobraź sobie książkę leżącą na stole, popychaną przez dwie osoby z przeciwnych stron. Osoba po lewej stronie pcha w prawo z siłą 20 N, a osoba po prawej stronie z siłą 90 N w lewo.
Aby obliczyć siłę poziomą netto działającą na książkę, musimy je odjąć siły przeciwne (90 – 20 = 70 N).
Znaczenie sił przeciwnych
Siły przeciwstawne odgrywają kluczową rolę w określaniu siły wypadkowej działającej na obiekt. Gdy na obiekt działają dwie siły, należy wziąć pod uwagę zarówno ich wielkość, jak i kierunek.
Jeśli dwie przeciwstawne siły są równe co do wielkości i przeciwne w kierunku, znoszą się wzajemnie, co daje wypadkową siłę równą zero.
Z drugiej strony, jeśli przeciwstawne siły nie są równe pod względem wielkości lub kierunku, wówczas na obiekt będzie działać siła wypadkowa.
Siła wypadkowa będzie równa różnicy między tymi dwiema przeciwnymi siłami i określi, o ile przyspieszenie wystąpi ten konkretny obiekt.
Zrozumienie przeciwstawnych sił staje się niezbędne podczas obliczania siły wypadkowej obejmującej złożone scenariusze, w których wiele obiektów wywiera na siebie różnego rodzaju siły – w tym grawitacyjne i siła tarcias- określenie, który przeciwstawia się, co staje się kluczowe dla prawidłowego i dokładnego obliczenia ogólnego ruchu.
Jak określić siłę wypadkową poprzez dodawanie wektorów?
W celu określenia siła wypadkowa działając na przedmiot, używamy dodawanie wektorów, ZA swobodny schemat ciała może pomóc w wizualizacji każdej siły działającej na przedmiot.
Każdą siłę reprezentujemy strzałką wskazującą jej kierunek i wielkość zgodnie z wybraną skalą. Następnie dodajemy wszystkie siły za pomocą dodawania wektorów, biorąc pod uwagę ich wielkości i kierunki.
Rozważmy na przykład samochód poruszający się ze stałą prędkością po poziomej drodze, na który nie działają żadne siły tarcia, z wyjątkiem oporu powietrza przeciwstawnego do jego ruchu.
Wielkości tych dwóch sił przedstawiamy za pomocą strzałek skierowanych w dół (waga) i do tyłu (opór).
Wynikowy wektor jest skierowany ukośnie w dół, ale do tyłu w stosunku do poziomu, z wielkością mniejszą niż w porównaniu z samym ciężarem, ponieważ oba wektory są częściowo przeciwstawne w różnych kierunkach.
Zależność między siłą wypadkową a przyspieszeniem
Zależność między siłą wypadkową a przyspieszeniem ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia ruchu obiektów. Według Druga zasada dynamiki Newtona, przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do siły wypadkowej i odwrotnie proporcjonalna do masy.
Oznacza to, że gdy obiekt doświadcza większej siły wypadkowej, przyspieszy szybciej, a jeśli jego masa wzrośnie, jego przyspieszenie zmniejszy się.
Rozważmy na przykład samochód poruszający się po prostej drodze ze stałą prędkością.
Jeśli przyłożysz siłę wypadkową w tym samym kierunku, w jakim porusza się samochód, naciskając pedał przyspieszenia, samochód zacznie przyspieszać w tym kierunku.
Wielkość tego przyspieszenia zależy od czynników, takich jak siła nacisku na pedał gazu i ciężar pojazdu.
Różne rodzaje sił i ich rola w sile netto
Siła grawitacji to siła przyciągania między obiektami, podczas gdy siła tarcia występuje, gdy obiekty napotykają opór, normalna siła działa prostopadle do powierzchni, przyłożona siła to pchanie lub ciągnięcie wywierane na przedmiot i siła naprężenia ma doświadczenie w materiałach rozciąganych lub ściskanych.
Siła grawitacji: siła przyciągania między obiektami
Siła grawitacji to A siła podstawowa który istnieje między dowolnymi dwoma obiektami we wszechświecie. To jest siła bezdotykowa powoduje, że obiekty posiadające masę przyciągają się do siebie.
Siła siła grawitacji zależy od masy obu obiektów i ich odległości od siebie.
Na przykład,
Ziemi siła grawitacji przyciąga wszystkie obiekty do swojego środka. Dlatego jesteśmy w stanie pozostać uziemieni i nie odlecieć w kosmos. Podobnie siła grawitacji Księżyca wpływa na pływy oceanów na Ziemi.
Siła tarcia: kiedy obiekty napotykają opór
Siła tarcia to opór, który pojawia się, gdy dwie powierzchnie stykają się ze sobą, zapobiegając ich wzajemnemu przesuwaniu się.
Tarcie może występować w różnych postaciach takie jak tarcie statyczne, tarcie ślizgowe, tarcie toczne i tarcie płynne.
Siła ta odgrywa zasadniczą rolę w określaniu siły wypadkowej działającej na obiekt, ponieważ przeciwstawia się ruchowi, zmniejszając prędkość lub powodując zatrzymanie obiektów.
Siła normalna: Siła prostopadła do powierzchni
W fizyce pojęcie normalna siła jest niezbędna do zrozumienia interakcji obiektów z powierzchniami. Siła normalna to siła wywierana przez powierzchnię, która uniemożliwia przedmiotowi przejście przez nią.
Na przykład,
Kiedy stoisz na podłodze, normalna siła podłoża odpycha twoje stopy, aby zapobiec upadkowi.
Siła normalna działa prostopadle do powierzchni i może przeciwdziałać innym siłom działającym na obiekt, takim jak grawitacja lub tarcie.
Obliczenie siły normalnej polega na wykorzystaniu drugiego prawa Newtona, które mówi, że F=ma (siła równa się masie razy przyspieszenie).
W tym przypadku, ponieważ w nieruchomym obiekcie spoczywającym na powierzchni nie ma przyspieszenia, możemy założyć, że siła wypadkowa jest równa zeru i dlatego obliczyć siłę normalną, odejmując wszystkie inne siły pionowe działające na obiekt od jego ciężaru.
Zastosowana siła: pchnięcie lub ciągnięcie wywierane na obiekt
Zastosowana siła odnosi się do każdego rodzaju pchania lub ciągnięcia wywieranego na obiekt. Może pochodzić z różnych źródeł, takich jak osoba pchająca wózek na zakupy lub maszyna ciągnąca taśmę przenośnika.
Aby obliczyć przyłożoną siłę, używamy formuła F=ma (siła równa się masie razy przyspieszenie).
Na przykład,
Jeśli mamy obiekt o masie 5 kg, który porusza się z przyspieszeniem 10 m/s^2, to przyłożona siła wyniosłaby F=(5 kg)(10 m/s^2) = 50 N (niutonów).
Oznacza to, że musi istnieć a siła zewnętrzna netto działające na przedmiot, powodujące to przyspieszenie.
Siła rozciągająca: Siła występująca w rozciągniętych lub ściśniętych materiałach
Innym ważnym rodzajem siły do zrozumienia w kontekście siły netto jest siła naprężenia. Siła ta jest odczuwana przez materiały, które są rozciągane lub ściskane, takie jak lina lub kabel.
Siłę naciągu można zdefiniować jako siła przenoszona przez elastyczne medium gdy jest ciągnięty przez siły działające z przeciwnych stron.
Siła naprężenia odgrywa rolę w obliczeniach siły netto ponieważ to jest jeden z kilku rodzajów sił kontaktowych które mogą oddziaływać na obiekt. Inne przykłady obejmują siłę tarcia i siłę sprężyny.
Przykłady siły netto
Przykład siły wypadkowej opisuje przyspieszenie obiektu, gdy działają różne siły. W artykule omówiono różne przykłady siły netto wymienione poniżej:
Przykłady siły netto: Szafka do pchania
Przesunięcie ciężkiej szafy do przodu przez jedną osobę jest trudnym zadaniem. Załóżmy, że ty i twoi przyjaciele A i B razem popychacie szafkę w tym samym kierunku. Siła zastosowana przez ciebie to 5N, a twoi znajomi A i B stosują odpowiednio siłę 6N i 5N.
Dodanie wszystkich sił 5 + 6 + 5 = 16N, co pokazuje, że wypadkowa siła 16N przyspiesza poruszanie się ciężkiej szafki do przodu.
Przykłady siły netto: Spadająca piłka
Załóżmy, że kiedy rzucamy piłką w niebo, stosujemy siła mięśni 20 N, co przyspiesza piłkę w górę z rosnącą prędkością.
Kiedy opór powietrza lub siła oporu powietrza -25N pokonuje siłę mięśni, piłka odwraca kierunek i porusza się w dół z różnym przyspieszeniem.
Aby określić przyspieszenie i kierunek spadającej piłki, dodając obie siły,
20 + (-25) = -5N
pokazując, że wypadkowa siła -5N przyspiesza piłkę w kierunku ziemi.
Przeczytaj więcej o rodzajach sił
Przykłady siły netto: Skała stacjonarna
Obiekt posiadający masę pozostaje w spoczynku, chyba że działa na niego jakakolwiek przyłożona siła. Więc kiedy nie popychamy ani nie ciągniemy stabilnej skały, czy nie działa żadna siła? A może siła wypadkowa na nieruchomej skale wynosi zero?
Niezależnie od tego, czy obiekt jest w ruchu, czy jest w spoczynku, czy porusza się w powietrzu lub na ziemi, zawsze działa na niego jedna siła. tj, siła grawitacji. Kiedy jakikolwiek przedmiot porusza się lub spoczywa na poziomej powierzchni, powierzchnia wywiera normalna siła w górę na obiekcie.
Załóżmy, że skała spoczywa na powierzchni ziemi lub wzgórza; normalna siła 15N działa w górę na skałę przeciwnie do siły grawitacji -20N.
Sumując wszystkie pary sił pionowych 15 + (-20) = -5N, wyświetlamy wypadkową siłę -5N próbującą przyspieszyć kamień na ziemi.
Przykłady siły netto: Pchanie autka
Pchanie to jeden z rodzajów przyłożonej siły. Załóżmy, że dziecko jeździ samochodzikiem po poziomej podłodze, przykładając siłę pchającą 10 N, a powierzchnia podłogi również wywiera nacisk ślizgowa siła tarcia -6N, który stawia opór ruchowi samochodu.
Siła netto obejmuje siłę tarcia
Siła grawitacji -5N działa w dół na samochodzik. Normalna siła 5N wywierana w górę przez powierzchnię podłogi na samochodzie jest przeciwna do siły ciężkości.
Ponieważ para sił pionowych, takich jak grawitacja i siła normalna działająca na zabawkę, ma taką samą wielkość i przeciwne kierunki, obie znoszą się nawzajem.
Sumując parę siły poziome do samochodu, takie jak przyłożona i siła tarcia, 10 + (-6) = 4N, pokazuje, że wypadkowa siła 4N przyspiesza samochodzik do przodu.
Przeczytaj więcej o ślizgowym tarciu
Przykłady siły netto: Pieszy
Podczas chodzenia lub biegania wywieramy nacisk na powierzchnię podłoża. Załóżmy, że siła nacisku wynosi 8 N; powierzchnia podłoża wywiera ślizgową siłę tarcia -5N, co zapobiega ślizganiu się po podłożu podczas chodzenia.
Istnieją siły pionowe, takie jak siła grawitacji -6N, a normalna siła 5N zawsze działa na nas podczas chodzenia.
Suma wszystkich sił poziomych i pionowych (8 + (-5) + 5 + (-6) = 3-1= 2N, co pokazuje, że wypadkowa siła 2N przyspiesza nas do przodu, gdy idziemy.
Przykłady siły netto: Granie w golfa
Załóżmy, że uderzając piłeczkę golfową kijem golfowym lub kijem, stosujesz siła mięśni 12N do niego. Kula uderzeniowa najpierw gwałtownie unosi się w powietrzu, gdzie siła oporu powietrza -6N zmniejsza jej ruch. Gdy prędkość spada, spada na ziemię.
Ponieważ piłka dodatkowo ślizga się po ziemi po upadku, wykorzystuje siłę tarcia tocznego -2N równoległą do piłki, która anihiluje jej ruch toczny.
Para sił pionowych, takich jak siła grawitacji -2N i siła normalna 2N, działa na piłeczkę golfową, znosząc się wzajemnie.
Siła netto obejmuje cztery siły
(kredyt: shutterstock)
Dlatego dodanie wszystkich pozostałych sił, 12 + (-6) + (-2) = 4N, pokazuje, że wypadkowa siła 4N przyspiesza piłeczkę golfową do przodu.
Przeczytaj więcej o tarciu tocznym.
Przykłady siły netto: Przeciąganie liny
Gra w przeciąganie liny opiera się na tym, kto zastosuje więcej siły niż inni. Załóżmy, że zespół A przykłada siłę mięśni 20 N do liny, podczas gdy zespół B przykłada siłę mięśni 15 N.
Lina wywiera również siła naprężenia -10N na oba końce, aby zapobiec pęknięciu.
Dodając całą siłę działającą na linę, [(20+ (-10)) + (15+(-10)] = 15N, wyświetlając tę wypadkową siłę 15N przyspieszającą linę w kierunku zespołu A.
Przeczytaj więcej o sile naciągu.
Przykłady siły netto: Skoki na bungee
Dołączona linka podczas skoków na bungee chroni nas przed wypadkiem i zapewnia ekscytujące wrażenia, gdy odbija się do tyłu.
Załóżmy, że skaczesz z dużej wysokości. Więc siła grawitacji -10N działa na ciebie w dół.
Następnie na pewną odległość przed ziemią lina ciągnie cię w górę, przykładając siła sprężysta z 8N. Po podciągnięciu w górę na określoną wysokość, opór powietrza siła -8N ponownie sprowadzi cię w dół wraz z liną.
Zsumowanie wszystkich tych sił pionowych, (-10) + 8 + (-8) = -10N, pokazuje, że wypadkowa siła -10N przyspiesza cię w dół w kierunku ziemi.
Przeczytaj więcej o sile sprężystości.
Przykłady siły netto: Pływanie
Kiedy zacząłeś pływać, zastanawiałeś się, ile sił działa na ciebie, przyspieszając cię w wodzie zamiast tonąć? Załóżmy, że przyłożymy siłę mięśniową 10 N jako a pchnięcie na wodzie, aby iść do przodu.
Płynne warstwy wody wywierają wpływ siła tarcia płynu -5N jako siła reakcji przeciwstawiająca się naszemu ruchowi w wodzie.
Ale te dwie siły nie wystarczą, abyśmy mogli pływać. Para sił pionowych działa również na nas podczas pływania.
Siła grawitacji -10 N działa w dół, podczas gdy warstwy płynu działają wzburzony or siła wykupu 8N, dzięki czemu możemy pływać po wodzie lub w jej wnętrzu.
Siła netto podczas pływania
(kredyt: Samouczek biomechaniki)
Suma wszystkich sił, 10 + (-5) + 8 + (-10) = 5 + -2 = 3N, pokazuje, że siatka 3N przyspiesza nas do przodu podczas pływania.
Przykłady siły netto: Samolot
Podobnie jak w przypadku pływania, na samolot działają cztery różne siły z czterech różnych kierunków, przyspieszając go w celu bezpiecznego poruszania się w powietrzu.
Załóżmy, że samolot wykorzystuje ciąg 50N do lotu do przodu w powietrzu, podczas gdy powietrze wykorzystuje siłę oporu powietrza -30N do samolotu.
Para sił pionowych obejmuje siłę grawitacji -40N skierowaną w dół i a siła podnoszenia, A mechaniczna siła aerodynamiczna, 35N wywierane przez ruch samolotu w powietrzu, który przeciwstawia się sile grawitacji.
Siła netto w samolocie
(kredyt: USA stulecie)
Suma wszystkich czterech sił, 50 + (-30) + 35 + (-40) = 20 -5 = 15N, pokazuje, że sieć 15N przyspiesza poruszanie się samolotu do przodu.
Przykłady siły netto: Wiosny
Kiedy ściskamy lub rozciągamy sprężynę z położenia równowagi, po zwolnieniu wraca ona do położenia początkowego.
Załóżmy, że działamy na sprężynę siłą 20 N, rozciągając ją za pomocą dołączonej kulki.
W reakcji sprężyna wywiera przeciwną siłę -22N, przywracając swoje pierwotne położenie.
Sumując siły akcji i reakcji, 20 + (-22) = -2N, co pokazuje, że wypadkowa siła -2N przyspiesza sprężynę do tyłu.
Przeczytaj więcej o Prostym Ruchu Harmonicznym.
Przykłady siły netto: Długi skok
Aby ukończyć ćwiczenia ze skokiem w dal, potrzebujesz najpierw kilku sił, aby przyspieszyć, a następnie zwolnić.
Przed skokiem musisz przebiec określony dystans, aby nabrać rozpędu. Załóżmy, że przykładasz siłę pchania mięśni o wartości 8N do powierzchni ziemi, podczas gdy ziemia wywiera na ciebie tarcie ślizgowe o wartości -2N.
W punkcie skoku ponownie przykładasz większą siłę mięśniową 10N w górę do ziemi. Po wykonaniu skoku działa na ciebie siła oporu powietrza -5N i siła grawitacji -6N, powodując przyspieszenie w dół.
Po zakończeniu skoku ponownie stosujesz siłę pchania mięśni 5N, aby ślizgać się po podłodze, gdy dotrzesz do ziemi. Wtedy podłoże wywiera większe tarcie ślizgowe 10N, które stopniowo zatrzymuje twój ruch.
Siła netto podczas skoku w dal
(kredyt: shutterstock)
Aby obliczyć całkowitą siłę wypadkową podczas całej czynności skoku w dal, musimy dodać siłę przypadającą na jedną czynność jako,
[(8 + (-2)] + [(10 + (-5) + (-6)] + [5 + (-6)] = 6 – 1 – 1 =4N
pokazując, że wypadkowa siła 4N przyspiesza nas do przodu, gdy skaczemy.
Przykłady siły netto: Torba transportowa
Kiedy chodzisz po podłodze, niosąc na plecach ciężką torbę, torba i twoje ciało doświadczają różnych sił siatki.
Załóżmy, że wywierasz siłę pchania 10 N na parter, na który działa siła tarcia -5 N.
Ponieważ chodzisz po podłodze, jesteś zmęczony siła grawitacji -5N i normalna siła 5N znoszą się nawzajem. Zatem zsumowanie pary sił poziomych, 15 + (-5) = 10N, wskazuje, że siła wypadkowa 10N przyspiesza poruszanie się do przodu.
Aby nieść ciężką torbę, równoważysz siłę grawitacji -5N działającą na torbę siłą mięśni 10N.
Zatem wypadkowa siła 5N działa na torbę, która przyspiesza ją do przodu razem z tobą.
Kiedy mówimy o sile wypadkowej działającej na ciebie, który niesie ciężką torbę, dodajemy siłę wypadkową działającą na nas i na torbę jako: 10N + 5 = 15N.
Dowiedzieliśmy się, że do chodzenia z jakimkolwiek ciężarem potrzebna jest większa siła wypadkowa niż siła wypadkowa potrzebna do chodzenia.
Przykłady siły netto: Naładowany balon
Załóżmy, że naładowaliśmy balon i plastikowy patyczek, pocierając je zwierzęcym futrem. Gdybyśmy podrzucili naładowany balon w powietrze i trzymali pod nim naładowany plastikowy patyk, balon nie odsunąłby się od patyka ani nie zawisłby w pewnej odległości.
Załóżmy, że siła elektryczna 10N między balonem a drążkiem odpowiada sile grawitacji balonu wynoszącej -10N.
Siła netto obejmuje siłę elektrostatyczną
Ponieważ siła elektryczna i siła grawitacji znoszą się wzajemnie, wypadkowa siła działająca na naładowany balon wynosi zero. To dlatego, że balon przywiązuje się do kija i nie odjeżdża od niego.
Przykłady siły netto: Toczący się samochód na wzgórzu
Załóżmy, że bez tarcia droga jest zbudowana na pochyłym wzgórzu. Jaka siła będzie więc działać na samochód o masie 1 kg jadący w dół po takiej wzniesieniu o nachyleniu 30°?
Kiedy obiekt porusza się po poziomej powierzchni, siła grawitacji tego obiektu wynosi mg. Ale kiedy obiekt porusza się po pochyłej płaszczyźnie bez tarcia, siła grawitacji rozkłada się na dwie składowe.
Jedna składowa siły grawitacji mgcosθ prostopadła do poruszającego się samochodu anuluje siłę normalną.
Dlatego inny składnik siły grawitacji mgsinθ równoległy do samochodu jest jedyną siłą wypadkową (mgsinθ = 1 x 9.8 x sin 30° = 4.9N), która przyspiesza samochód na pochyłej drodze pozbawionej tarcia.
Przeczytaj więcej o pochyłej płaszczyźnie
Przykłady siły netto: Prowadzenie pociągu
Maszynistowi trudno jest znaleźć różne siły działające na pociąg. Ale muszą zrozumieć masę i przyspieszenie pociągu.
Załóżmy, że pociąg o masie 500 kg porusza się z prędkością 20 m/s, a następnie zgodnie z Druga zasada dynamiki Newtona, wypadkowa siła działająca na jadący pociąg Fnet = ma = 500 x 20 = 1000 N.
Praca z siłą netto: praktyczne przykłady i scenariusze
W przykładzie 1 możemy obliczyć wypadkową siłę działającą na poruszający się obiekt, znajdując różnicę między dwiema przeciwstawnymi siłami.
Przykład 1: Oblicz siłę wypadkową działającą na poruszający się obiekt
Powiedzmy, że ciało o masie 5 kg porusza się w prawo z prędkością 10 m/s. Jeśli napotka dwie działające na niego siły – jedną popychającą go w lewo z siłą 2 N i drugą popychającą w prawo z siłą 4 N, jak obliczysz wypadkową siłę?
Aby się tego dowiedzieć, musimy skorzystać z tzw formuła siły netto: Fsieć = F1 + F2.
W tym przypadku siły przeciwne oznacza, że są w przeciwnych kierunkach, a my musimy odjąć je od siebie pierwszy.
Fnetto = (4 N) – (2 N)
Fwyp = 2 N
Dlatego nasz wynik pokazuje, że na ten obiekt działa siła wypadkowa o wartości 2 Newtonów w kierunku ruchu.
Przykład 2: Analiza sił zaangażowanych w przeciąganie liny
W grze w przeciąganie liny, dwie drużyny przykładają siły pod względem naciągów na linę. Każda drużyna próbuje przyciągnąć drugą na swoją stronę, walcząc o zwycięstwo.
Interesujące w tym scenariuszu jest to, że obie drużyny są działające równe i przeciwne siły na linie, po jednym pociągnięciu w każdym kierunku.
Jeśli jednak jedna drużyna zacznie ciągnąć mocniej niż druga, nastąpi awaria niezrównoważona siła na korzyść tej drużyny. Wynikowa siła wypadkowa spowoduje ruch i przyspieszenie w ich stronę, aż ponownie osiągnie równowagę.
Przykład 3: Wyznaczanie siły wypadkowej, gdy na obiekt działa wiele sił
W Przykładzie 3 zbadamy, jak określić wypadkową siłę, gdy na obiekt działa wiele sił. Ta sytuacja jest powszechna w życiu codziennym, na przykład gdy pchasz wózek na zakupy i napotykasz siłę tarcia od podłoża lub opór powietrza podczas jazdy samochodem.
Aby obliczyć siłę wypadkową, zacznij od zidentyfikowania wszystkich poszczególnych sił działających na obiekt i ich kierunku.
Następnie użyj dodawania wektorów, aby dodać wszystkie te siły, biorąc pod uwagę ich wielkość i kierunek.
Rozważmy na przykład obiekt, na który działają trzy siły: 20 N w prawo, 50 N w dół i kolejne 40 N w górę. Pierwszym krokiem jest określenie kierunku i wielkości tych wektorów względem siebie przed połączeniem ich za pomocą dodawania wektorów.
Przykład 4: Zrozumienie równowagi sił i równowagi
Aby zrozumieć równowagę sił, wyobraź sobie pchanie książki po płaskiej powierzchni z taką samą siłą, z jaką ktoś inny ciągnie ją w przeciwnym kierunku. Książka pozostanie nieruchoma, ponieważ przeciwstawne siły znoszą się nawzajem, co skutkuje zerową siłą wypadkową.
W przeciwieństwie do tego, jeśli osoba popycha książkę mocniej niż osoba, która ją ciągnie, nastąpi niezrównoważona siła powodująca przyspieszenie lub ruch w jednym kierunku.
Zrozumienie tych pojęć ma kluczowe znaczenie podczas pracy z obliczeniami sił netto w celu dokładnego określenia ruchu i przyspieszenia obiektów w praktycznych scenariuszach, takich jak projekty inżynieryjne lub symulacje programowania.
Przykład 5: Zastosowanie siły netto do scenariusza opartego na programowaniu
Siła wypadkowa nie ogranicza się tylko do sfery fizyki, można ją również zastosować do scenariuszy opartych na programowaniu. Załóżmy na przykład, że projektujesz grę, w której obiekt musi poruszać się po ekranie.
Aby upewnić się, że obiekt porusza się w określonym kierunku iz pewnym przyspieszeniem, może być konieczne określenie działającej na niego wypadkowej siły.
Zrozumienie siły wypadkowej może również pomóc w innych scenariuszach programowania, takich jak robotyka lub symulacje.
Dzięki dokładnemu odwzorowaniu sił działających na różne obiekty w tych systemach programiści mogą tworzyć bardziej realistyczne symulacje uwzględniające mechanikę świata rzeczywistego.
Uczenie się na podstawie powszechnych nieporozumień i błędów w obliczeniach siły netto
Unikaj typowych błędów w obliczeniach sił wypadkowych, takich jak ignorowanie wektorowego charakteru siły, mylenie siły wypadkowej z indywidualnymi wielkościami sił, przeoczenie sił działających w przeciwnych kierunkach, nieprawidłowe obliczanie sił wypadkowych w scenariuszach wielowektorowych oraz niewłaściwe uwzględnianie tarcia, naprężenia i inne siły.
Ignorując wektorową naturę siły
Jednym z powszechnych błędów w obliczeniach siły netto jest pomijając wektorową naturę siły. Należy o tym pamiętać Siła to nie tylko jej wielkość, ale także jego kierunek.
Na przykład, jeśli siła 50 N i siła 30 N działają na obiekt pod różnymi kątami, ich łączna lub wypadkowa siła nie będzie po prostu równa 80 N.
Nieuwzględnienie, że siły są wektorami, może skutkować błędne obliczenia i nieporozumienia dotyczące poruszania się i zachowania obiektów.
Mylenie siły wypadkowej z indywidualnymi wielkościami siły
Jeden z najczęstszych błędów w obliczenia sił netto myli ją z indywidualnymi wielkościami siły.
Konieczne jest, aby to zrozumieć siły mają zarówno wielkość, jak i kieruneki mogą się wzajemnie znosić.
Na przykład,
Wyobraź sobie przedmiot pchany przez dwie osoby, jedną z siłą 90 N w prawo, a drugą z siłą 20 N w lewo.
To nieporozumienie może prowadzić do błędnych wniosków na temat ruchu lub przyspieszenia obiektu. Bardzo ważne jest, aby najpierw obliczyć wszystkie siły działające na przedmiot indywidualnie, zanim je zsumujesz wektory poprzez dodawanie lub odejmowanie.
Z widokiem na siły działające w przeciwnych kierunkach
Jednym z typowych błędów w obliczeniach sił wypadkowych jest pomijanie sił działających w przeciwnych kierunkach. Kiedy dwie siły działają na obiekt w przeciwnych kierunkach, mogą się wzajemnie znosić, w wyniku czego powstaje a siła wypadkowa zerowa.
Na przykład,
Wyobraź sobie książkę leżącą na stole. Siła grawitacji ciągnie książkę w dół, podczas gdy siła normalna pcha ją w górę z taką samą wartością, ale w przeciwnym kierunku.
Te dwie siły znoszą się nawzajem, w wyniku czego wypadkowa siła jest równa zeru i brak jest ruchu lub przyspieszenia książki.
Nieprawidłowe obliczanie sił wynikowych w scenariuszach wielowektorowych
Kiedy obliczanie siły wypadkowej w scenariuszach wielowektorowych, ważne jest, aby wziąć pod uwagę indywidualne wielkości i kierunki wszystkich zaangażowanych sił.
Częstym błędem jest zakładanie, że siły działające w przeciwnych kierunkach całkowicie się znoszą, co skutkuje zerową siłą wypadkową.
Na przykład,
Rozważmy obiekt ciągnięty przez dwie liny o tej samej sile, ale pod nieco różnymi kątami. Chociaż liny ciągną się w przeciwnych kierunkach, nadal będzie działać siła wypadkowa z powodu ich niewielkiej różnicy w kierunku.
Niewłaściwe uwzględnienie tarcia, napięcia i innych sił
Podczas obliczania siły wypadkowej konieczne jest uwzględnienie wszystkich różnych sił działających na obiekt. Obejmuje to między innymi siłę tarcia, siłę rozciągającą i siłę normalną.
Na przykład,
Wyobraź sobie klocek zsuwający się po pochyłej płaszczyźnie z występującym tarciem. Jeśli weźmiemy pod uwagę tylko siłę grawitacji i pominiemy przeciwną siłę tarcia działającą na klocek, nie docenimy wielkości wypadkowej siły działającej na klocek.
Może to spowodować, że nieprawidłowo przewidzimy jego przyspieszenie lub nawet założymy, że jest w spoczynku, kiedy faktycznie się porusza.
Przyszły rozwój technologii Net Force
Badanie technologii siły netto to szybko rozwijająca się dziedzina.
Bardziej zaawansowane symulacje
Dzięki powszechnemu wykorzystaniu przetwarzania w chmurze i sztucznej inteligencji możliwe będzie przeprowadzanie bardziej złożonych i szczegółowych symulacji w celu przewidywania ruchu obiektów doświadczających siły wypadkowej.
Poprawiona dokładność prognoz
Wraz z rozwojem technologii symulacji, wzrośnie również nasza zdolność do dokładnego przewidywania, w jaki sposób obiekty będą się poruszać na podstawie ich siły wypadkowej.
Większa dostępność
Dzięki postępowi w językach programowania i projektowaniu interfejsów użytkownika praca z obliczeniami sił wypadkowych powinna być łatwiejsza dla osób o niewielkim formalnym przeszkoleniu w dziedzinie fizyki lub inżynierii.
Integracja z innymi technologiami
Obliczenia sił netto mogą być w coraz większym stopniu wykorzystywane wraz z innymi technologiami, takimi jak rzeczywistość wirtualna i rzeczywistość rozszerzona, w ramach szerszych zastosowań w przemyśle i edukacji.
Nowe obszary badań
Uproszczenia wprowadzone przez prawa Newtona mogą sięgać tylko do pewnego stopnia; mogą pojawić się nowe obszary badań, które wynikają ze zwiększonej precyzji zajmowania się siłami działającymi na obiekt.
Większa łączność między dyscyplinami poświęconymi zrozumieniu ruchu, takimi jak biomechanika lub robotyka, co pomogłoby w rozwoju tych dziedzin dzięki większej dokładności przy szacowaniu działających na nie sił
Lepsze metody zbierania danych
Przyszły rozwój czujników, które mierzą przyspieszenie lepiej niż obecne metody
Innowacje wykorzystujące algorytmy uczenia maszynowego, które mogą wykrywać wzorce w ramach ustalonych zachowań.
Wszystkie te zmiany prawdopodobnie będą miały znaczący wpływ nie tylko na badanie dynamiki, ale także na wiele gałęzi przemysłu, od produkcji po medycynę.
Najczęściej zadawane pytania
Co to jest siła netto?
Net Force to seria powieści napisanych przez Toma Clancy'ego i Steve'a Pieczenika, które obracają się wokół fikcyjnej organizacji policji internetowej zajmującej się zapobieganiem cyberprzestępczości.
Czy książki Net Force są odpowiednie dla wszystkich czytelników?
Seria Net Force ogólnie należy do kategorii techno-thrillerów, która często zawiera sceny z przemocą lub motywami dla dorosłych. Dlatego może nie być odpowiedni dla młodych lub wrażliwych czytelników.
Ile książek składa się z serii Net Force?
W oryginalnej serii Net Force jest dziesięć książek, a także kilka spin-offów i adaptacji, w tym powieści graficzne i programy telewizyjne.
Czy mogę przeczytać dowolną książkę z serii Net Force jako samodzielną powieść?
Chociaż każda książka ma swoją własną fabułę, czytanie ich w kolejności może zapewnić lepszy kontekst i zrozumienie toczących się historii i rozwoju postaci w serii. Zaleca się rozpoczęcie od Księgi 1, „Siła netto”, zanim przejdzie się do kolejnych części.
Co to jest siła netto?
Siła wypadkowa to całkowita siła działająca na obiekt, gdy uwzględni się wszystkie poszczególne siły.
Jak używa się Net Force?
Siła wypadkowa służy do określenia kierunku i wielkości ruchu obiektu, a także do określenia, czy obiekt jest w spoczynku, czy w ruchu.
Co to znaczy „stosuje się siłę”?
Kiedy przykładana jest siła, oznacza to, że obiekt jest wywierany na pchanie lub ciągnięcie.
Co się stanie, jeśli siła 100 N zostanie przyłożona tylko do jednej strony przedmiotu?
Jeśli siła 100 N jest przyłożona tylko do jednej strony przedmiotu, na przedmiot działa siła wypadkowa skierowana w kierunku przyłożonej siły.
Jaka jest definicja „stosowania siły netto”?
Kiedy przyłożona jest siła wypadkowa, oznacza to, że suma wszystkich sił działających na przedmiot daje znaczącą siłę wypadkową.
Co to są wektory siły?
Wektory siły to diagramy używane do przedstawiania kierunku i wielkości siły.
Co to znaczy „suma wszystkich sił”?
Suma wszystkich sił jest całkowitą siłą działającą na obiekt, biorąc pod uwagę wielkość i kierunek każdej siły.
Jak znacząca musi być siła wypadkowa, aby oddziaływać na obiekt?
Siła wypadkowa musi być wystarczająco znacząca, aby pokonać wszelkie inne siły działające na obiekt, aby wpłynąć na jego ruch.
Co oznacza „działanie na przedmiot”?
Odp.: Kiedy na obiekt działa siła, oznacza to, że siła ta pcha lub ciągnie obiekt w określonym kierunku.
Co się stanie, jeśli siły poziome się nie znoszą?
Jeśli siły poziome nie znoszą się nawzajem, na obiekt działa siła wypadkowa skierowana w kierunku siły nieznoszącej się.
Wnioski
Podsumowując zrozumienie siły wypadkowej ma kluczowe znaczenie w zrozumieniu zawiłości ruchu i przyspieszenia w fizyce. Dzięki solidnemu zrozumieniu podstaw, w tym siła jako wektor, przeciwne siły i pierwsze prawo Newtona, możemy skorzystać z Formuła siły netto obliczyć, jak różne rodzaje sił wpływają na ruch obiektu.
