Katika sehemu maalum ya fizikia - mienendo, wanaposoma harakati za miili, huzingatia nguvu zinazofanya kazi kwenye mfumo wa kusonga. Mwisho unaweza kufanya kazi nzuri na hasi. Fikiria katika makala haya kazi ya nguvu ya msuguano ni nini na jinsi inavyohesabiwa.
Dhana ya kazi katika fizikia
Katika fizikia, dhana ya "kazi" ni tofauti na wazo la kawaida la neno hili. Kazi inaeleweka kama kiasi cha kimwili, ambacho ni sawa na bidhaa ya scalar ya vekta ya nguvu na vekta ya uhamisho wa mwili. Fikiria kuwa kuna kitu ambacho nguvu F¯ hufanya kazi. Kwa kuwa hakuna nguvu zingine zinazoishughulikia, vekta yake ya uhamishaji l¯ itaambatana katika mwelekeo na vekta F¯. Bidhaa ya scalar ya vekta hizi katika kesi hii italingana na bidhaa ya moduli zao, ambayo ni:
A=(F¯l¯)=Fl.
Thamani A ni kazi inayofanywa kwa nguvu F¯ kusogeza kitu kwa umbali l. Kwa kuzingatia vipimo vya maadili F na l, tunaona kwamba kazi hupimwa kwa newtons kwa mita (Nm) katika mfumo wa SI. Hata hivyo, kitengoNm ina jina lake mwenyewe - ni joule. Hii ina maana kwamba dhana ya kazi ni sawa na dhana ya nishati. Kwa maneno mengine, ikiwa nguvu ya newton 1 itasogeza mwili mita 1, basi gharama zinazolingana za nishati ni joule 1.
Nguvu ya msuguano ni nini?
Kusoma swali la kazi ya nguvu ya msuguano inawezekana ikiwa unajua ni aina gani ya nguvu tunayozungumza. Msuguano katika fizikia ni mchakato unaozuia msogeo wowote wa mwili mmoja kwenye uso wa mwingine nyuso hizi zinapogusana.
Ikiwa tunazingatia miili thabiti tu, basi kuna aina tatu za msuguano kwao:
- pumzika;
- teleza;
- inazunguka.
Nguvu hizi hutenda kati ya nyuso zinazogusana na kila mara huelekezwa dhidi ya msogeo wa miili.
Msuguano wa kupumzika huzuia msogeo wenyewe, msuguano wa kuteleza hujidhihirisha katika mchakato wa harakati, wakati nyuso za miili zinateleza juu ya kila mmoja, na msuguano wa kuzunguka upo kati ya mwili unaobingirika juu ya uso na uso wenyewe.
Mfano wa kitendo cha msuguano tuli ni gari ambalo liko kwenye breki ya mkono kwenye mlima. Msuguano wa kuteleza hujidhihirisha wakati mwanatelezi anaposogea juu ya theluji au mtu anayeteleza kwenye barafu. Hatimaye, msuguano wa kubingiria hutenda wakati gurudumu la gari likitembea kando ya barabara.
Nguvu za aina zote tatu za msuguano hukokotolewa kwa kutumia fomula ifuatayo:
Ft=µtN.
Hapa N kuna nguvu ya athari ya usaidizi, µt ndio mgawo wa msuguano. Nguvu Ninaonyesha ukubwa wa athari za msaada kwenye mwili perpendicular kwa ndege ya uso. Kuhusu kigezo µt, hupimwa kwa majaribio kwa kila jozi ya vifaa vya kusugua, kwa mfano, mbao-mbao, chuma-theluji, na kadhalika. Matokeo yaliyopimwa hukusanywa katika majedwali maalum.
Kwa kila nguvu ya msuguano, mgawo µt una thamani yake kwa jozi ya nyenzo iliyochaguliwa. Kwa hivyo, mgawo wa msuguano tuli ni mkubwa zaidi kuliko ule wa msuguano wa kuteleza kwa makumi kadhaa ya asilimia. Kwa upande mwingine, mgawo wa kukunja ni maagizo 1-2 ya ukubwa chini ya yale ya kutelezesha.
Kazi ya nguvu za msuguano
Sasa, baada ya kufahamiana na dhana za kazi na aina za msuguano, unaweza kwenda moja kwa moja kwa mada ya kifungu. Wacha tuzingatie kwa mpangilio aina zote za nguvu za msuguano na tujue ni kazi gani zinafanya.
Hebu tuanze na msuguano tuli. Aina hii inajidhihirisha wakati mwili hauendi. Kwa kuwa hakuna harakati, vekta yake ya kuhamisha l ni sawa na sifuri. Mwisho unamaanisha kuwa kazi ya nguvu tuli ya msuguano pia ni sawa na sifuri.
Msuguano wa kuteleza, kwa ufafanuzi, hufanya kazi tu wakati mwili unasonga angani. Kwa kuwa nguvu ya aina hii ya msuguano daima inaelekezwa dhidi ya harakati za mwili, ina maana kwamba hufanya kazi mbaya. Thamani ya A inaweza kuhesabiwa kwa kutumia fomula:
A=-Ftl=-µtNl.
Kazi ya nguvu ya msuguano wa kuteleza inalenga kupunguza mwendo wa mwili. Kutokana na kazi hii, nishati ya mitambo ya mwili inabadilishwa kuwa joto.
Msuguano wa kuviringika, kama vile kutelezesha, pia unahusisha harakati za mwili. Nguvu ya msuguano wa rolling hufanya kazi mbaya, kupunguza kasi ya mzunguko wa awali wa mwili. Kwa kuwa tunazungumzia juu ya mzunguko wa mwili, ni rahisi kuhesabu thamani ya kazi ya nguvu hii kupitia kazi ya kasi yake. Fomula inayolingana imeandikwa kama:
A=-Mθ wapi M=FtR.
Hapa θ ni pembe ya mzunguko wa mwili kutokana na mzunguko, R ni umbali kutoka uso hadi mhimili wa mzunguko (radius ya gurudumu).
Tatizo la nguvu ya msuguano wa kuteleza
Inajulikana kuwa kizuizi cha mbao kiko kwenye ukingo wa ndege ya mbao iliyoinama. Ndege ina mwelekeo wa upeo wa macho kwa pembe ya 40o. Kujua kwamba mgawo wa msuguano wa sliding ni 0.4, urefu wa ndege ni mita 1, na uzito wa bar unafanana na kilo 0.5, ni muhimu kupata kazi ya msuguano wa sliding.
Hesabu nguvu ya msuguano wa kuteleza. Ni sawa na:
Ft=mgcos(α)µt=0.59.81cos(40 o)0, 4=1.5 N.
Kisha kazi inayolingana A itakuwa:
A=-Ftl=-1.51=-1.5 J.
Tatizo la msuguano wa rolling
Inajulikana kuwa gurudumu lilibingiria kando ya barabara kwa umbali fulani na kusimama. Kipenyo cha gurudumu ni cm 45. Idadi ya mapinduzi ya gurudumu kabla ya kuacha ni 100. Kwa kuzingatia mgawo wa rolling sawa na 0.03, ni muhimu kupata nini kazi ya nguvu ya msuguano wa rolling ni sawa. Uzito wa gurudumu ni kilo 5.
Kwanza, hebu tuhesabu muda wa msuguano:
M=FtR=µtmgD/2=0.0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Ikiwa idadi ya mizunguko inayofanywa na gurudumu inazidishwa na radiani 2pi, basi tunapata pembe ya mzunguko wa gurudumu θ. Kisha formula ya kazi ni:
A=-Mθ=-M2pin.
Ambapo n ni idadi ya mapinduzi. Kubadilisha muda wa M na nambari n kutoka kwa hali, tunapata kazi inayohitajika: A=- 207.87 J.
