KAKŠNA JE RAVNOVESJE DELCA? (S PRIMERI) - FIZIČNO - 2026

Ravnovesje delca je stanje, v katerem je delec ko so zunanje sile, ki delujejo na njih medsebojno preklicano. To pomeni, da ohranja konstantno stanje, in sicer tako, da se lahko zgodi na dva različna načina, odvisno od konkretne situacije.

Prvi je v statičnem ravnovesju, v katerem je delček nepremičen; in drugo je dinamično ravnotežje, kjer seštevanje sil odpove, vendar ima kljub temu delček enakomerno pravokotno gibanje.

Slika 1. Kamnita tvorba v ravnovesju. Vir: Pixabay.

Model delcev je zelo koristen približek za preučevanje gibanja telesa. Sestavljena je v predpostavki, da je vsa masa telesa skoncentrirana v eni sami točki, ne glede na velikost predmeta. Na ta način si lahko predstavljate planet, avto, elektrone ali biljardno kroglico.

Nastala sila

Točka, ki predstavlja objekt, je, kje delujejo sile, ki vplivajo nanj. Te sile se lahko zamenja z eno, ki ima enak učinek, ki se imenuje neto rezultanta sile ali sile, ki je označena kot F _R ali F _N .

Po drugem zakonu Newtona, ko je neuravnotežena rezultatska sila, telo doživi pospešek, sorazmeren s silo:

F _R = ma

Kjer je a pospešek, ki ga objekt pridobi zahvaljujoč delovanju sile, m pa masa predmeta. Kaj se zgodi, če telo ne pospešimo? Natančno to, kar je bilo na začetku navedeno: telo je v mirovanju ali se giblje z enakomernim pravokotnim gibanjem, ki mu primanjkuje pospeška.

Za ravnotežni delček velja, da se prepriča, da:

F _R = 0

Ker dodajanje vektorjev ne pomeni nujno dodajanja modulov, je treba vektorje razgraditi. Tako velja izraziti:

F _x = ma _x = 0; F _y = ma _y = 0; F _z = ma _z = 0

Diagrami prostega telesa

Za vizualizacijo sil, ki delujejo na delec, je priročno narediti diagram prostega telesa, v katerem so vse sile, ki delujejo na objekt, predstavljene s puščicami.

Zgornje enačbe so vektorske narave. Pri razpadanju sil jih razlikujemo po znakih. Na ta način je mogoče, da je vsota njegovih komponent enaka nič.

Naslednje so pomembne smernice, da bo risba uporabna:

- Izberite referenčni sistem, v katerem se na koordinatne osi nahaja največja sila.

- Teža se vedno vleče navpično navzdol.

- Če sta v stiku dve ali več površin, obstajajo normalne sile, ki se vedno vlečejo s potiskanjem telesa in pravokotno na površino, ki ga izvaja.

- Za ravnotežni delček lahko pride do trenja, ki je vzporedno s kontaktno površino in nasprotuje možnemu premiku, če se delec šteje v mirovanju ali zagotovo v nasprotju, če se delec premika z MRU (enakomerno pravokotno gibanje).

- Če obstaja vrv, se napetost vedno potegne vzdolž nje in vleče telo.

Načini uporabe ravnotežnega pogoja

Slika 2. Dve sili, ki delujeta na različne načine na isto telo. Vir: self made.

Dve sili enake velikosti ter nasprotne smeri in smeri

Slika 2 prikazuje delec, na katerega delujeta dve sili. Na sliki na levi delček prejme delovanje dveh sil F ₁ in F _2, ki imata enako velikost in delujeta v isti smeri in v nasprotni smeri.

Delček je v ravnovesju, vendar kljub temu s predloženimi informacijami ni mogoče vedeti, ali je ravnotežje statično ali dinamično. Potrebnih je več informacij o inercialnem referenčnem okviru, iz katerega je objekt opazovan.

Dve sili različnih velikosti, enake smeri in nasprotnih smeri

Slika v sredini prikazuje enak delček, ki pa tokrat ni v ravnovesju, saj je jakost sile F ₂ večja od sile F ₁ . Zato obstaja neuravnotežena sila in predmet pospešuje v isti smeri kot F ₂ .

Dve sili enake velikosti in različne smeri

Končno na sliki na desni vidimo telo, ki tudi ni v ravnovesju. Čeprav F ₁ in F ₂ so enake velikosti, sila F ₂ ni v isti smeri kot 1. vertikalna komponenta F ₂ ne nevtralizira z drugim in delcev doživlja pospešek v tej smeri.

Tri sile z različno smerjo

Ali je lahko delec, podvržen trem silam, v ravnovesju? Da, pod pogojem, da je pri postavljanju konca in konca vsakega od njih rezultat trikotnika. V tem primeru je vektorska vsota enaka nič.

Slika 3. Delček, podvržen delovanju 3 sil, je lahko v ravnovesju. Vir: self made.

Trenje

Sila, ki pogosto posega v ravnovesje delca, je statično trenje. Nastane zaradi interakcije predmeta, ki ga delček predstavlja s površino drugega. Na primer, knjiga v statičnem ravnovesju na nagnjeni mizi je modelirana kot delček in ima diagram prostega telesa, kot je sledeče:

Slika 4. Shema prostega telesa knjige na nagnjeni ravnini. Vir: self made.

Sila, ki preprečuje, da bi knjiga drsela po površini nagnjene ravnine in ostala v mirovanju, je statično trenje. Odvisno je od narave površin v stiku, ki mikroskopsko predstavljajo hrapavost z vrhovi, ki se skupaj zaklepajo, zaradi česar je gibanje oteženo.

Najvišja vrednost statičnega trenja je sorazmerna z normalno silo, silo, ki jo ima površina na podprtem objektu, vendar pravokotna na omenjeno površino. V primeru v knjigi je označen z modro barvo. Matematično je izraženo takole:

Konstanta sorazmernosti je koeficient statičnega trenja μ _s , ki je določen eksperimentalno, je brezdimenzijski in je odvisen od narave površin v stiku.

Dinamično trenje

Če je delec v dinamičnem ravnovesju, gibanje že poteka in statično trenje ne posega več. Če je prisotna kakšna sila trenja, ki nasprotuje gibanju, deluje dinamično trenje, katerega velikost je konstantna in jo poda:

Kjer je μ _k koeficient dinamičnega trenja, ki je odvisen tudi od vrste površin v stiku. Tako kot koeficient statičnega trenja je brezdimenzijski in njegova vrednost je določena eksperimentalno.

Vrednost koeficienta dinamičnega trenja je običajno manjša od vrednosti statičnega trenja.

Delani primer

Knjiga na sliki 3 je v mirovanju in ima maso 1,30 kg. Na ravnini je naklon kota 30 °. Poiščite koeficient statičnega trenja med knjigo in površino ravnine.

Rešitev

Pomembno je izbrati ustrezen referenčni sistem, glejte naslednjo sliko:

Slika 5. Shema prostega telesa knjige na nagnjeni ravnini in razpad teže. Vir: self made.

Teža knjige ima velikost W = mg, vendar jo je potrebno razdeliti na dve komponenti: W _x in W _y , saj je edina sila, ki ne pade tik nad katero od koordinatnih osi. Razpad teže opazimo na sliki na levi strani.

2. Newtonov zakon za navpično os je:

Uporaba 2. Newtonov zakon za os x, ki je smer možnega gibanja izbral kot pozitivno:

Največje trenje je f _{s max} = μ _s N, torej:

Reference

1. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 76 - 90.
2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 1. 7 ^ma . Ed Cengage Learning. 120–124.
3. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9 ^na Ed Cengage Learning. 99-112.
4. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja MacGraw Hill. 71 - 87.
5. Walker, J. 2010. Fizika. Addison Wesley. 148-164.