Mechanické sily; Základné vedomosti z fyziky
Sily spoznáte podľa účinkov, ktoré vytvárajú. Ak je teleso zdeformované alebo ak sa zmení jeho rýchlosť, príčinou je vždy sila. Sily však môžu pôsobiť aj bez zmeny stavu pohybu tela alebo bez toho, aby došlo k jeho (viditeľnej) deformácii. V takom prípade sa niekoľko súčasne pôsobiacich síl navzájom zruší („vzájomné pôsobenie viacerých síl“).
Pri lukostreľbe je šnúrka natiahnutá a luk je elasticky zdeformovaný. Ak šnúrku pustíte, napätie luku šípku zrýchli.
Newtonove zákony¶
Nižšie stručne predstavené tri princípy predstavujú základ klasickej mechaniky. Prvýkrát ich v tejto podobe napísal v roku 1687 Isaac Newton.
1. Newtonov zákon („zákon zotrvačnosti“)
Na zmenu pohybového stavu, to znamená na zrýchlenie, je vždy potrebná sila. Dôvod spočíva v takzvanej „zotrvačnosti“, vlastnosti každého tela odolávať akcelerácii vďaka svojej hmotnosti. Galileo Galilei a Isaac Newton pôvodne formulovali tento zákon asi takto:
Keď sa teleso pohybuje pevnou rýchlosťou v priamke, veľkosť a smer pohybu zostanú konštantné, kým sila nezmení jeho pohyb. Skutočnosť, že sme si v každodennom živote zvykli, že objekty bez akcelerujúcich síl sa v určitom okamihu samy zastavia, je dôsledkom trecích síl, ktorým sa nikdy nedá úplne vyhnúť, a odporu vzduchu. Vo vesmíre, v ktorej nedochádza k treniu kvôli absencii hmoty, však planéty obiehajú okolo svojich slnečných sĺn mnoho miliónov rokov bez straty rýchlosti.
Brzdenie karosérie zodpovedá aj (negatívnemu) zrýchleniu a podľa toho si vyžaduje silu.
2. Newtonov zákon („zákon sily“)
Príčina zrýchlenia alebo deformácie sa všeobecne označuje ako sila. Kvantitatívny vzťah medzi veľkosťou sily a zrýchlením, ktoré spôsobuje, prvýkrát popísal Isaac Newton vo forme matematickej rovnice.
Veľkosť sily je úmerná zrýchleniu, ktoré prostredníctvom nej prežíva masové teleso: [2]
(1) ¶
Smer zrýchlenia zodpovedá smeru akceleračnej sily.
Sily sú uvedené v jednotke Newton:
Teleso hmoty zažíva zrýchlenie silou .
To platí vo vesmíre, vo vákuu a všeobecne vždy, keď nedochádza k treniu. Skutočné zrýchlenie môže byť v praxi v dôsledku trecích síl podstatne nižšie.
zodpovedá hmotnosti ťažkého tela na zemi.
Množstvo zážitkov s váhou sveta. Pri voľnom páde na vás Zem pôsobí zrýchlením okolo (presnejšie:).
Sily sú pomenované podľa ich príčiny (svalová sila, magnetická sila, motorická sila atď.) Alebo podľa ich účinku (ťahová sila, tlaková sila, hnacia sila, deformačná sila atď.).
| sila | Veľkosť sily v |
| Váha bežného písmena | |
| Hmotnosť tabuľky čokolády | |
| Hmotnosť jedného litra vody | |
| Hmotnosť jedného kilogramu cukru | |
| Váha človeka | |
| Ťažná sila automobilu | |
| Ťažná sila lokomotívy | |
| Príťažlivosť Zeme k Mesiacu |
3. Newtonov zákon („sila a sila“)
Každá sila má rovnako veľkú presilovku. Sila a protisila majú opačný smer a pôsobia na rôzne telesá - nemôžu sa navzájom rušiť.
Na niti visí závažie. Niť zabraňuje pádu preparátu. Je v ňom sila, ktorá je rovnako veľká ako váha tela. Obe sily sa líšia svojim smerom. Sila v závite a hmotnosť majú opačné smery, vzájomne sa rušia.
Sila a sila na závesné závažie.
Ak je závit prerezaný, teleso sa pohybuje v priamom smere s konštantným zrýchlením v dôsledku gravitačného ťahu zeme (odpor vzduchu je zanedbávaný). Pretože všetky sily pôsobia vzájomne, telo priťahuje aj Zem. Zem „klesá“ smerom k telu - ale efekt je taký malý, že si ho nevšimneme.
Výška, línia pôsobenia a bod útoku¶
Aby bolo možné predvídať vplyv sily, musí človek poznať nielen veľkosť („množstvo“) sily, ale musí vedieť aj to, v ktorom bode pôsobí a ktorým smerom pôsobí.
Vektor sily je jasne definovaný svojou veľkosťou, smerom pôsobenia a miestom použitia.
V súradnicových systémoch a výkresoch sú sily zvyčajne znázornené šípkami („vektormi“). Platí nasledujúce:
- Dĺžka šípky označuje na určitej mierke (napríklad) veľkosť sily. Voľba mierky je ľubovoľná, musí však platiť rovnako pre všetky sily vo výkrese.
- Počiatočný bod šípky je rovnaký ako bod pôsobenia sily.
- Smer šípky zodpovedá priamke pôsobenia sily.
Vektor sily je možné podľa potreby posúvať pozdĺž línie pôsobenia s vhodným prenosom sily bez toho, aby sa niečo zmenilo na fyzikálnom účinku sily.
Prenos sily pomocou lana, tyče a reťaze
V mnohých prípadoch je užitočné nechať silu pôsobiť „z diaľky“, tj presunúť miesto jej aplikácie pozdĺž línie pôsobenia.
- Ťahové sily je možné prenášať na iné teleso pomocou lán a reťazí,
- Pomocou tyčí - a do istej miery aj drôtov - sa môžu ťahové sily aj tlakové sily prenášať na iné teleso.
Ozubené kolesá a regály sa zvyčajne používajú v prevodovkách na prenos sily.
Deformácia a pružnosť¶
Okrem rýchlosti môžu sily meniť aj tvar tela. V závislosti od materiálu tela sú deformácie možné dvoma spôsobmi:
V prípade elastického procesu deformácia telesa ustúpi, keď deformačná sila poklesne. Typickým elastickým materiálom je guma, ale veľa kovov (napr. Oceľ) má tiež elastický efekt, ak nie je sila príliš veľká.
Príklad: Gumová guľa sa vráti do pôvodného tvaru, keď na ňu už nepôsobia žiadne sily.
V plastickom procese zostáva deformácia, keď sila už nie je účinná. Typickými plastovými materiálmi sú modelovacia hlina, vosk, hlina, olovo atď.
Príklad: Zostáva deformácia stlačenej gule vyrobenej z vosku alebo modelovacej hmoty.
Neexistuje látka, ktorá by bola dokonale elastická alebo úplne nepružná. Ak pôsobia len malé sily, správa sa napríklad elasticky. S veľkými silami sa správa plasticky.
Meranie sily¶
Deformačný účinok sily sa často používa na meranie mechanickej sily. Napríklad čím viac skrútite špirálovú pružinu alebo ju od seba odtrhnete, tým väčšie je napätie, s ktorým pružina odoláva deformácii. Ak je na pružine vhodná stupnica, možno priamo na ňu odčítať silu pôsobiacu na ňu. Pretože pružinu nemožno ľubovoľne natiahnuť, existujú pružinové dynamometre s rôznymi tvrdosťami pružiny a stupnicami, ktoré sú vhodné pre rôzne rozsahy merania.
Príklad pružinového dynamometra.
V prípade pohybujúcich sa telies, napríklad automobilov, možno silu určiť zo zmeny rýchlosti karosérie - musí však byť známa hmotnosť karosérie. Ak zmeriate zmenu rýchlosti a čas na ňu potrebný, môžete vypočítať zrýchlenie a jeho vložením do rovnice (1) získate efektívnu silu:
Zdanlivé sily¶
Pomocou Newtonových zákonov možno pohyb tela adekvátne opísať v referenčnom systéme v pokoji alebo v referenčnom systéme, ktorý je priamy pri konštantnej rýchlosti (takzvaný „inerciálny systém“). V zrýchlenom referenčnom systéme sa však na opis pohybov musia brať do úvahy takzvané „zdanlivé sily“.
Napríklad, ak ste v ustavične sa pohybujúcom alebo stojacom vozni vlaku a hodíte loptu kolmo do vzduchu, opäť dopadne do vašej ruky. Ak však vlak akceleruje po tom, čo lopta opustila ruku, potom sa z pohľadu vrhača zrýchleného vlakom zdá, že sa v priebehu letu vzďaľuje od ruky. Takže zatiaľ čo pre vonkajšieho pozorovateľa sa vlak vzďaľuje spod lopty, ktorá sa pohybuje rovnomerne v horizontálnom smere, musí pozorovateľ vo vlaku premýšľať o sile pôsobiacej na loptu, ktorá je opačná ako zrýchlenie vlaku, aby bolo možné správne predpovedať pohyb lopty.
Sila, ktorá sa vyskytuje iba v zrýchlenom referenčnom systéme, sa nazýva zdanlivá sila. Rovná sa súčinu hmotnosti zrýchleného objektu a zrýchlenia, ktoré sa rovná zrýchleniu referenčného systému, ale pôsobí v opačnom smere:
Dôležitou zdanlivou silou je zotrvačná sila, ktorá vzniká napríklad pri akcelerácii alebo brzdení vozidla. Špeciálnym prípadom tohto zotrvačného účinku je odstredivá sila v kruhovom pohybe. Zotrvačné sily sa používajú aj v technických aplikáciách, keď sa má dosiahnuť veľká sila rýchlym brzdením predmetu, napríklad pri príklepoch, stlačení atď.
Ak sú pozorovateľ a pozorovaný objekt v zrýchlenom referenčnom systéme, zažijú rovnaké zrýchlenie ako samotný objekt. Z pohľadu tohto pozorovateľa je objekt v pokoji alebo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou; sily pôsobiace na objekt sa sčítajú až k nule z pohľadu pozorovateľa s akceleráciou.
Z pohľadu stacionárneho pozorovateľa sa dynamika objektu (v porovnaní s perspektívou spolurychleného pozorovateľa) líši iba silou zotrvačnosti. V pokoji v referenčnom systéme musí teda na sily pôsobiace na objekt platiť toto:
Táto rovnica je pomenovaná podľa svojho objaviteľa a bežne sa označuje ako D’Alembertov princíp. Môže sa použiť na vysledovanie dynamických procesov späť do statických rovnovážnych podmienok a na ich ľahšie vypočítanie.
V matematickom zápise to znamená, že vektor rýchlosti tela zostáva konštantný, keď je súčet všetkých pôsobiacich síl nulový:
Pre túto časť existujú experimenty a cvičenia .