KAJ JE DINAMIČNO RAVNOTEŽJE? (S PRIMEROM) - FIZIČNO - 2026

Dinamično ravnovesje je stanje, v katerem se gibljejo objekt idealno zastopali delca, ko je njegovo gibanje linijski enotna laži. Do tega pojava pride, ko se vsota zunanjih sil, ki delujejo nanj, prekliče.

Pogosto se verjame, da je počitek edina možna posledica, če na objekt ni neto ali posledične sile. Ali tudi, da telo, ki je v ravnovesju, ne sme delovati na silo.

Slika 1. Ta mačka se giblje v dinamičnem ravnovesju, če se giblje s konstantno hitrostjo. Vir: Pixabay.

V resnici je ravnotežje odsotnost pospeška, zato je konstantna hitrost popolnoma mogoča. Mačka na sliki se lahko premika brez pospeška.

Predmet z enakomernim krožnim gibanjem ni v dinamičnem ravnovesju. Čeprav je njegova hitrost konstantna, obstaja pospešek, usmerjen proti središču oboda, ki ga ohranja na poti. Ta pospešek je odgovoren za ustrezno spreminjanje vektorja hitrosti.

Ničelna hitrost je posebna situacija ravnotežja delca, enakovredna potrditvi, da je objekt v mirovanju.

Kar zadeva obravnavanje predmetov kot delcev, je to zelo koristna idealizacija pri opisu njihovega globalnega gibanja. V resnici so gibajoči se predmeti, ki nas obdajajo, sestavljeno iz velikega števila delcev, katerih posamezna študija bi bila okorna.

Načelo superpozicije

To načelo omogoča nadomeščanje delovanja več sil na predmet z enakovrednim imenom, ki se imenuje izhodna sila FR ali neto sila FN, kar je v tem primeru nično:

F1 + F2 + F3 +…. = FR = 0

Kjer so sile F1, F2, F3…., Fi različne sile, ki delujejo na telo. Notacija seštevanja je kompakten način izražanja:

Dokler neuravnotežena sila ne posreduje, se lahko predmet giblje v nedogled s konstantno hitrostjo, saj le sila lahko spremeni to panoramo.

Pogoj dinamičnega ravnovesja delca se glede na sestavne dele dobljene sile izrazi na naslednji način: Fx = 0; Fy = 0; Fz = 0.

Pogoji vrtenja in ravnotežja

Za model delcev je pogoj FR = 0 zadostno jamstvo za ravnotežje. Vendar pa ob upoštevanju dimenzij preiskovanega mobilnega telefona obstaja možnost, da se lahko predmet vrti.

Rotacijsko gibanje pomeni obstoj pospeška, zato rotirajoča telesa niso v dinamičnem ravnovesju. Za vrtenje telesa ni potrebno le sodelovanje sile, ampak ga je potrebno uporabiti na ustreznem mestu.

Če želite to preveriti, lahko tanko palico po dolžini postavite na površino brez trenja, na primer zmrznjeno površino ali zelo polirano ogledalo ali steklo. Normalna uteži uteži navpično in z uporabo dveh sil F1 in F2 enake velikosti vodoravno, v skladu s diagramom na naslednji sliki, se preveri, kaj se zgodi:

Slika 2. Palica na površini brez trenja je lahko v ravnovesju ali ne sme biti ravnovesna, odvisno od uporabljenih sil 1 in 2. Vir: lastna izdelava.

Če sta F1 in F2 uporabljena, kot je prikazano na levi strani, s skupno linijo delovanja bo palica ostala v mirovanju. Če pa sta F1 in F2 uporabljena, kot je prikazano na desni, z različnimi linijami delovanja, čeprav vzporedno, pride do vrtenja v smeri urinega kazalca, okoli osi, ki poteka skozi sredino.

V tem primeru F1 in F2 tvorita nekaj sil ali preprosto par.

Navor ali trenutek sile

Učinek navora je vrtenje vrtenja podaljšanega predmeta, kot je palica v primeru. Nabitost nabitih vektorjev se imenuje navor ali tudi moment sile. Označen je kot τ in se izračuna z:

τ = rx F

V tem izrazu F je uporabljena sila in r je vektor, ki sega od osi vrtenja do točke uporabe sile (glej sliko 2). Smer τ je vedno pravokotna na ravnino, v kateri ležita F in r in njene enote v mednarodnem sistemu Nm

Na primer, smer trenutkov, ki jih ustvarjata F1 in F2, je proti papirju v skladu s pravili vektorskega izdelka.

Čeprav se sile med seboj odpovedo, njihovi navori ne. Rezultat je prikazano vrtenje.

Ravnotežni pogoji za razširjeni objekt

Za zagotovitev ravnotežja razširjenega predmeta morata biti izpolnjena dva pogoja:

Obstaja škatla ali prtljažnik, ki tehta 16 kg-f, ki drsi navzdol po nagnjeni ravnini s konstantno hitrostjo. Kot naklona klina je θ = 36 °. Odgovor:

a) Kolikšna je veličina dinamične sile trenja, ki je potrebna, da trup drsi s konstantno hitrostjo?

b) Kolikšen je koeficient kinetičnega trenja?

c) Če je višina h nagnjene ravnine 3 metre, poiščite hitrost spuščanja prtljažnika, saj veste, da do tal pride 4 sekunde.

Rešitev

Deblo lahko obravnavamo, kot da je delček. Zato bodo sile uporabljene v točki, ki se nahaja približno v njenem središču, na kateri je mogoče domnevati, da je koncentrirana vsa njegova masa. Na tej točki ga bomo spremljali.

Slika 3. Diagram prostega telesa za drsno spuščanje trupa in spuščanje teže (desno). Vir: self made.

Teža W je edina sila, ki ne pade na eno od koordinatnih osi in jo je treba razgraditi na dve komponenti: Wx in Wy. Ta razgradnja je prikazana na shemi (slika 3).

Primerno je tudi, da se teža prenese na enote mednarodnega sistema, za katere je dovolj, da se pomnožijo z 9,8:

Wy = W. cosθ = 16 x 9,8 x cos 36º N = 126,9 N

Šx = W. sinθ = 16 x 9,8 x sin 36º = 92,2 N

Odstavek a

Vzdolž vodoravne osi sta vodoravna komponenta teže Wx in dinamična ali kinetična sila trenja fk, ki nasprotuje gibanju.

Z izbiro pozitivne smeri v smeri gibanja je enostavno videti, da je Wx odgovoren za blok, ki gre navzdol. In ker trenje nasprotuje, namesto da bi hitro drselo, ima blok možnost drsenja s konstantno hitrostjo navzdol.

Zadošča že prvo ravnotežno stanje, saj deblo obravnavamo kot delček, za kar smo prepričani, da je v dinamičnem ravnovesju:

Wx - fk = 0 (brez pospeška v vodoravni smeri)

fk = 92,2 N

Oddelek b

Velikost dinamičnega trenja je konstantna in je podana s fk = μk N. To pomeni, da je sila dinamičnega trenja sorazmerna z normalno in da je za poznavanje koeficienta trenja potrebna velikost tega trenja.

Če opazujemo diagram prostega telesa, vidimo, da imamo na navpični osi normalno silo N, ki jo klin izvaja na prtljažnik in je usmerjen navzgor. Uravnotežena je z navpično komponento teže Wy. Izbira kot pozitiven smisel in uporaba drugega zakona Newtona in razmer ravnotežja:

N - Wy = 0 (ni gibanja vzdolž navpične osi)

Tako:

N = Wy = 126,9 N

fk = μk N

μk = fk / N = 92,2 /126,9= 0,73

Oddelek c

Trigonometrija najdemo skupno razdaljo, ki jo je pot prehodila od vrha klina do tal:

d = h / sin 36º = 3 / sin 36º m = 5,1 m.

Za izračun hitrosti se uporablja definicija za enakomerno pravokotno gibanje:

v = d / t = 5,1 m / 4 s = 1,3 m / s

Reference

1. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 76 - 90.
2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 1. 7. Ed Cengage Learning. 120–124.
3. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9. 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.