Podsumowanie
5.1 Pojęcie siły
- Dynamika to dział fizyki zajmujący się wyjaśnieniem, jak działające siły wpływają na ruch ciał, podczas gdy kinematyka jedynie opisuje z matematycznego punktu widzenia parametry ruchu.
- Siła może być związana z pchaniem lub ciągnięciem ciała, definiowana może być na wiele sposobów. Jest wielkością wektorową, ma więc kierunek, zwrot i długość.
- Siły zewnętrzne to dowolne siły z zewnątrz układu, działające na dany obiekt. Diagram ilustrujący rozkład sił działających na ciało pozwala na przejrzystą ich analizę.
- Jednostką siły w układzie SI jest niuton (1 N).
5.2 Pierwsza zasada dynamiki Newtona
- Jak mówi pierwsza zasada dynamiki Newtona, zawsze musi istnieć przyczyna zmiany prędkości (zarówno jej wartości, jak i kierunku). To prawo znane jest również pod nazwą „zasady bezwładności”.
- Zjawisko tarcia objawia się w formie siły zewnętrznej powodującej zwolnienie poruszających się obiektów.
- Bezwładnością nazywamy dążenie obiektów do pozostawania w spoczynku lub w ruchu. Bezwładność ciał utożsamić można z ich masą.
- Jeśli w danym układzie odniesienia prędkość ciała, na które nie działają żadne siły jest stała, układ taki nazywamy inercjalnym. Oznacza to, że w inercjalnych układach odniesienia spełnione jest pierwsze prawo Newtona.
- Stan równowagi obiekt osiąga w momencie, gdy równoważą się wszystkie siły na niego działające.
- Zerowa siła wypadkowa działająca na obiekt skutkować może zarówno jego spoczynkiem, jak i ruchem ze stałą prędkością, bez przyspieszeń.
5.3 Druga zasada dynamiki Newtona
- Siła zewnętrzna to taka, która działa na obiekt spoza przyjętego układu, w odróżnieniu od siły wewnętrznej, która jest wynikiem oddziaływania między obiektami wewnątrz danego układu.
- Druga zasada dynamiki Newtona mówi, że siła wypadkowa działająca na obiekt o danej masie jest wprost proporcjonalna do jego przyspieszenia.
- Drugie prawo Newtona opisuje również siłę wypadkową jako szybkość zmian pędu w czasie. Niezerowa siła wypadkowa powoduje występowanie w układzie niezerowego przyspieszenia.
5.4 Masa i ciężar ciała
- Masa jest miarą ilości materii w danym ciele.
- Ciężar ciała, czyli jego siła ciężkości, to wypadkowa siła działająca na ciało podczas spadku swobodnego. Ciała doznają przyspieszenia na skutek działania pola grawitacyjnego.
- Podczas spadku swobodnego na Ziemi ciała doznają również działania sił oporu powietrza. Dlatego też spadek swobodny jest tylko pewnym modelem (przybliżeniem).
- Rozróżniamy pomiędzy spadkiem swobodnym a stanem nieważkości. Definiujemy ciężar jako wynik działania pola grawitacyjnego na ciało w nim się znajdujące.
5.5 Trzecia zasada dynamiki Newtona
- Trzecie prawo Newtona odzwierciedla prostą symetrię przyrody: układ doznaje siły o tej samej wartości i kierunku, co siła wywierana na otoczeniu, lecz o przeciwnym zwrocie.
- Dwie symetryczne, przeciwnie zwrócone siły nie równoważą się, jeżeli działają na dwa różne układy.
- Pary sił związane z „akcją i reakcją” w układzie występują na przykład w przypadku, gdy pływak odpycha się stopami od ściany basenu, podczas lotu helikoptera, czy gdy ośmiornica porusza się w wodzie. Ruch rakiet, samolotów i samochodów również stanowi doskonały przykład działania trzeciego prawa Newtona.
- Dobór odpowiedniego układu do analizy pozwala na poprawne zrozumienie fizyki danego układu oraz rozwiązanie zagadnień dotyczących ruchu.
5.6 Rodzaje sił
- Gdy ciało spoczywa na poziomej powierzchni, doznaje działania siły reakcji od strony powierzchni, która równoważy siłę ciężkości ciała. Siła ta często nazywana jest siłą nacisku.
- Gdy ciało spoczywa na powierzchni nie poruszającej się z przyspieszeniem, siła reakcji zawsze równoważy siłę ciężkości ciała spoczywającego na tej powierzchni.
- Gdy ciało spoczywa na równi pochyłej o kącie nachylenia , siła ciężkości działająca na ciało rozkłada się na składowe: prostopadłą oraz równoległą do powierzchni równi.
- Siła rozciągająca działająca wzdłuż elastycznego elementu takiego jak kabel bądź lina nazywa się siłą naciągu. Gdy ciało zawieszone jest nieruchomo na linie, siła naciągu liny równoważy ciężar zawieszonego na niej ciała. Gdy obiekt przyspiesza, siła naciągu liny może okazać się większa niż ciężar tego obiektu. Analogicznie podczas zwalniania, naciąg liny okaże się mniejszy niż siła ciężkości.
- Siła tarcia występuje w układzie, w którym obiekty się poruszają. Ma zwrot przeciwny do kierunku ruchu ciała i kierunek równoległy do podłoża. Jest to siła oporu ruchu.
- Siła wywierana przez sprężynę podlega prawu Hooke’a. Wartość tej siły jest proporcjonalna do odkształcenia ciała i sprężyny względem jej długości swobodnej oraz do stałej sprężystości sprężyny.
- Rzeczywiste siły w układzie mają fizyczne źródło, w odróżnieniu od sił pozornych, które występują w układach odniesienia doznających zmiany prędkości – układach nieinercjalnych.
5.7 Rozkłady sił działających na ciała
- Aby wykonać diagram z rozkładem sił działających na ciało, narysuj wszystkie siły zewnętrzne działające na analizowany obiekt i rozłóż wektory sił na składowe wzdłuż osi i . Należy wykonać osobny diagram dla każdego obiektu występującego w układzie.
- Rysunek z rozkładem sił działających na obiekt jest niezwykle pomocny w przypadku rozwiązywania problemów dynamicznych. Stosujemy go przy rozwiązywaniu zagadnień w oparciu o zasady dynamiki Newtona.