Kila mmoja wetu anafahamu udhihirisho wa nguvu ya msuguano. Hakika, harakati yoyote katika maisha ya kila siku, ikiwa ni kutembea mtu au kusonga gari, haiwezekani bila ushiriki wa nguvu hii. Katika fizikia, ni kawaida kusoma aina tatu za nguvu za msuguano. Katika makala haya, tutazingatia mojawapo, tutabaini msuguano tuli ni nini.
Paa kwenye uso mlalo
Kabla ya kuendelea kujibu maswali, nguvu tuli ya msuguano ni nini na ni sawa na nini, hebu tuchunguze kesi rahisi yenye upau ulio kwenye uso ulio mlalo.
Hebu tuchambue ni nguvu gani hutenda kwenye upau. Ya kwanza ni uzito wa kitu yenyewe. Wacha tuonyeshe kwa herufi P. Inaelekezwa kwa wima chini. Pili, hii ni majibu ya msaada N. Inaelekezwa kwa wima kwenda juu. Sheria ya pili ya Newton kwa kesi inayozingatiwa itaandikwa katika fomu ifuatayo:
ma=P - N.
Alama ya kutoa hapa inaonyesha mwelekeo tofauti wa vivekta vya majibu ya uzito na tegemezi. Kwa kuwa kizuizi kimepumzika, thamani ya a ni sifuri. Mwisho unamaanisha kuwa:
P - N=0=>
P=N.
Mwitikio wa kiunga husawazisha uzito wa mwili na ni sawa nao katika thamani kamili.
Nguvu ya nje inayofanya kazi kwenye upau kwenye uso mlalo
Sasa hebu tuongeze nguvu moja zaidi ya kutenda kwa hali iliyoelezwa hapo juu. Hebu tufikiri kwamba mtu anaanza kusukuma kizuizi kwenye uso ulio na usawa. Hebu tuonyeshe nguvu hii kwa barua F. Mtu anaweza kuona hali ya kushangaza: ikiwa nguvu F ni ndogo, basi licha ya hatua yake, bar inaendelea kupumzika juu ya uso. Uzito wa mwili na majibu ya msaada huelekezwa perpendicular kwa uso, hivyo makadirio yao ya usawa ni sawa na sifuri. Kwa maneno mengine, nguvu P na N haziwezi kupinga F kwa njia yoyote. Katika hali hiyo, kwa nini bar inabakia kupumzika na haisogei?
Ni wazi, lazima kuwe na nguvu inayoelekezwa dhidi ya nguvu F. Nguvu hii ni msuguano tuli. Inaelekezwa dhidi ya F pamoja na uso wa usawa. Inafanya kazi katika eneo la mawasiliano kati ya makali ya chini ya baa na uso. Hebu tuirejelee kwa ishara Ft. Sheria ya Newton ya makadirio mlalo itaandikwa kama:
F=Ft.
Kwa hivyo, moduli ya nguvu tuli ya msuguano daima ni sawa na thamani kamili ya nguvu za nje zinazotenda kwenye uso mlalo.
Mwanzo wa harakati za baa
Ili kuandika fomula ya msuguano tuli, hebu tuendelee na jaribio lililoanzishwa katika aya zilizopita za makala. Tutaongeza thamani kamili ya nguvu ya nje F. Baa bado itabaki kupumzika kwa muda fulani, lakini itakuja wakati itaanza kusonga. Katika hatua hii, nguvu tuli ya msuguano itafikia thamani yake ya juu zaidi.
Ili kupata thamani hii ya juu zaidi, chukua upau mwingine sawa kabisa na ule wa kwanza na uweke juu. Eneo la mawasiliano la bar na uso halijabadilika, lakini uzito wake umeongezeka mara mbili. Iligunduliwa kwa majaribio kuwa nguvu F ya kizuizi cha baa kutoka kwa uso pia iliongezeka mara mbili. Ukweli huu ulifanya iwezekane kuandika fomula ifuatayo ya msuguano tuli:
Ft=µsP.
Yaani, thamani ya juu zaidi ya nguvu ya msuguano inageuka kuwa sawia na uzito wa mwili P, ambapo kigezo µs hufanya kama mgawo wa uwiano. Thamani µs inaitwa mgawo tuli wa msuguano.
Kwa kuwa uzito wa mwili katika jaribio ni sawa na nguvu ya kiitikio cha usaidizi N, fomula ya Ft inaweza kuandikwa upya kama ifuatavyo:
Ft=µsN.
Tofauti na ile iliyotangulia, usemi huu unaweza kutumika kila wakati, hata wakati mwili uko kwenye ndege iliyoinama. Moduli ya nguvu tuli ya msuguano inalingana moja kwa moja na kani ya mwitikio wa usaidizi ambayo uso hutenda kazi kwenye mwili.
Sababu za kimwili za nguvu Ft
Swali la kwa nini msuguano tuli hutokea ni changamano na linahitaji kuzingatia mawasiliano kati ya miili katika kiwango cha hadubini na atomiki.
Kwa ujumla, kuna sababu mbili za kimwili za nguvuFt:
- Muingiliano wa mitambo kati ya vilele na mifereji ya maji.
- Muingiliano wa kemikali-fizikia kati ya atomi na molekuli za miili.
Haijalishi uso wowote ulivyo laini, una hitilafu na kutofautiana. Takriban, haya inhomogeneities inaweza kuwakilishwa kama vilele microscopic na Mabwawa. Wakati kilele cha mwili mmoja kinaanguka kwenye cavity ya mwili mwingine, kuunganisha mitambo hutokea kati ya miili hii. Idadi kubwa ya viunganishi vya hadubini ni mojawapo ya sababu za kuonekana kwa msuguano tuli.
Sababu ya pili ni mwingiliano wa kimwili na kemikali kati ya molekuli au atomi zinazounda mwili. Inajulikana kuwa wakati atomi mbili za upande wowote zinapokaribiana, mwingiliano wa kielektroniki unaweza kutokea kati yao, kwa mfano, mwingiliano wa dipole-dipole au van der Waals. Wakati wa kuanza kwa harakati, upau unalazimika kushinda mwingiliano huu ili kujitenga na uso.
Sifa za Ft nguvu
Tayari imebainishwa juu ya kile nguvu ya juu ya msuguano tuli ni sawa, na pia mwelekeo wake wa kitendo umeonyeshwa. Hapa tunaorodhesha sifa zingine za wingi Ft.
Msuguano wa kupumzika hautegemei eneo la mawasiliano. Imedhamiriwa tu na majibu ya msaada. Kadiri eneo la mawasiliano linavyokuwa kubwa, ndivyo deformation ya vilele vya microscopic na mabwawa inavyopungua, lakini idadi yao kubwa zaidi. Ukweli huu wa angavu unafafanua kwa nini kiwango cha juu zaidi Ftt hakitabadilika ikiwa upau umegeuzwa ukingoni kwa upau mdogo zaidi.eneo.
Misuguano ya kupumzika na msuguano wa kuteleza ni wa asili sawa, ikifafanuliwa kwa fomula zile zile, lakini ya pili kila wakati huwa chini ya ya kwanza. Msuguano wa kuteleza hutokea wakati kizuizi kinapoanza kusogea kwenye uso.
Lazimisha Ft ni idadi isiyojulikana katika hali nyingi. Fomula ambayo imetolewa hapo juu inalingana na thamani ya juu zaidi ya Ft wakati upau unapoanza kusonga. Ili kuelewa ukweli huu kwa uwazi zaidi, hapa chini ni mchoro wa utegemezi wa nguvu Ft kwenye ushawishi wa nje F.
Inaweza kuonekana kuwa kwa kuongezeka kwa F, msuguano tuli huongezeka kwa mstari, kufikia kiwango cha juu, na kisha hupungua wakati mwili unapoanza. Wakati wa harakati, haiwezekani tena kuzungumza juu ya nguvu Ft, kwani inabadilishwa na msuguano wa kuteleza.
Mwishowe, kipengele muhimu cha mwisho cha nguvu ya Ft ni kwamba haitegemei kasi ya mwendo (kwa kasi ya juu kiasi, Fthupungua).
Mgawo wa msuguano µs
Kwa vile µs inaonekana katika fomula ya moduli ya msuguano, maneno machache yanapaswa kusemwa kuihusu.
Kigawo cha msuguano µs ni sifa ya kipekee ya nyuso hizi mbili. Haitegemei uzito wa mwili, imedhamiriwa kwa majaribio. Kwa mfano, kwa jozi ya mti-mti, inatofautiana kutoka 0.25 hadi 0.5 kulingana na aina ya mti na ubora wa matibabu ya uso wa miili ya kusugua. Kwa nyuso za mbao zilizowekwa ntatheluji mvua µs=0.14, na kwa viungo vya binadamu mgawo huu huchukua thamani za chini sana (≈0.01).
Chochote thamani ya µs kwa jozi ya nyenzo zinazozingatiwa, mgawo sawa wa msuguano wa kuteleza µk utakuwa daima ndogo. Kwa mfano, wakati wa kupiga mti kwenye mti, ni sawa na 0.2, na kwa viungo vya binadamu hauzidi 0.003.
Ijayo, tutazingatia suluhisho la matatizo mawili ya kimwili ambayo tunaweza kutumia ujuzi uliopatikana.
Pau kwenye uso ulioinama: lazimisha hesabu Ft
Jukumu la kwanza ni rahisi sana. Hebu tufikiri kwamba block ya kuni iko kwenye uso wa mbao. Uzito wake ni kilo 1.5. Uso umeelekezwa kwa pembe ya 15o hadi upeo wa macho. Ni muhimu kubainisha nguvu tuli ya msuguano ikiwa inajulikana kuwa upau hauendi.
Jaribio la tatizo hili ni kwamba watu wengi huanza kwa kukokotoa athari ya usaidizi, na kisha kutumia data ya marejeleo kwa mgawo wa msuguano µs, tumia yaliyo hapo juu. fomula ya kubainisha thamani ya juu zaidi ya F t. Hata hivyo, katika kesi hii, Ft sio kiwango cha juu zaidi. Moduli yake ni sawa tu na nguvu ya nje, ambayo huelekea kuhamisha bar kutoka mahali pake chini ya ndege. Nguvu hii ni:
F=mgdhambi(α).
Kisha nguvu ya msuguano Ft itakuwa sawa na F. Kubadilisha data katika usawa, tunapata jibu: nguvu tuli ya msuguano kwenye ndege inayoinamia F t=3.81 toni mpya.
Pau kwenye uso ulioinama: hesabuupeo wa pembe ya kuinamia
Sasa hebu tusuluhishe tatizo lifuatalo: boriti ya mbao iko kwenye ndege iliyoinama ya mbao. Kwa kuzingatia mgawo wa msuguano sawa na 0.4, ni muhimu kupata angle ya juu ya mwelekeo α ya ndege hadi upeo wa macho, ambapo bar itaanza kuteleza.
Kuteleza kutaanza wakati makadirio ya uzito wa mwili kwenye ndege yanapokuwa sawa na nguvu ya juu zaidi ya msuguano tuli. Wacha tuandike hali inayolingana:
F=Ft=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).).
Kubadilisha thamani µs=0, 4 hadi kwenye mlinganyo wa mwisho, tunapata α=21, 8o.
