Futja në forcën dhe lëvizjen mekanike

Forca dhe lëvizja janë baza e fizikës dhe inxhinierisë, që qeveris çdo gjë nga spostimi i një lavjerrë deri te lëshimi i një raketëje. nëse po projektoni një urë, duke goditur një motor makine, apo thjesht duke kuptuar se si një lëvizje topi kur të fillojë, këto koncepte janë thelbësore. ky artikull zgjerohet mbi parimet themelore të forcës dhe lëvizjes mekanike, duke ofruar një pamje të hollësishme ende të arritshme për studentët, hobis dhe profesionistët.

Çfarë është forca mekanike?

Me terma më të thjeshta, forca mekanike është një shtytje ose tërheqje e ushtruar mbi një objekt si rezultat i ndërveprimit të tij me një tjetër objekt. Forcat mund të shkaktojnë një objekt përshpejtim, decelerim, ndryshim drejtimi apo deformimi.

Forcat janë kudo: tensioni në një litar gjatë tërheqjes së luftës, forca normale nga një tryezë që mbështet një libër, tërheqja gravitacionale e Tokës dhe fërkimi që ngadalëson një kuti që rrëshqet. Për të analizuar këto ndërveprime, inxhinierët dhe fizikanët shpesh tërheqin diagramë pa trup që izolojnë një objekt dhe tregojnë të gjitha forcat që veprojnë në të, gjë që është vendimtare për llogaritjen e forcës dhe lëvizjen e krijuar.

Lloje të forcave mekanike

Forcat mekanike janë kategorizuar gjerësisht në forcat e kontaktit dhe forcat jo-kontakte, secila me nëntipa të rëndësishme:

  • Forcat Kontact: Ocur kur dy objekte prekin fizikisht. Shembujt kryesorë përfshijnë:
    • Forcën Fizike: Thependnic Mbështeties trying trying by a biside. Për shembull, një libër mbi një tabelë përjeton një forcë normale ekuilibruese graviteti.
    • Falition: Forca rezistuese që vepron paralel me sipërfaqet në kontakt, lëvizje kundër (ose lëvizje të afërt). Ne do të diskutojmë fërkimet në detaje më vonë.
    • Tension: Forca tërheqje transmetuar nëpërmjet një string, kabllo ose zinxhir kur ajo është shtrirë.
    • Force e aplikuar: Çdo shtytje e qëllimshme ose tërheqje nga një person apo makinë, të tilla si nxitja e një karroce.
    • Forca Spring: Forca restauruese e ushtruar nga një pranverë e ngjeshur ose e shtrirë, proporcionale për zhvendosjen (Ligji i Hookit).
  • Forcat Non-contact: Akti në distancë pa kontakt të drejtpërdrejtë. Llojet e përbashkëta përfshijnë:
    • [Gravitja]: Forca tërheqëse midis çdo dy masave. Në Tokë, ajo jep objekte (W = mg, ku g81 m2.2).
    • Forcat magnetike: Tërheqje apo ripulsion midis magneteve apo midis një magneti dhe materialeve feromagnetike.
    • Forcat Electrostike: Forcat midis akuzave elektrike, të tilla si tërheqja midis akuzave të kundërta apo ripyrosja midis akuzave të tilla.

Për shembull, një ashensor që lëviz lart përfshin tension në kabllo, forcë normale në dysheme dhe graviteti ♫ që veprojnë të gjitha njëkohësisht.

Lëvizja

Lëvizja është ndryshimi në pozicionin e një objekti në lidhje me një kornizë referimi gjatë kohës. ndërsa ne shpesh përdorim fjalë të përditshme si "shpejtim" ose "lëvizje," fizika kërkon përcaktime të sakta: zhvendosje, shpejtësi dhe përshpejtimi. këto sasi vektorike jo vetëm tregojnë magnitudë por edhe drejtim, duke bërë analizë lëvizjesh si gjeometrike, ashtu edhe matematikore.

Shndërrimi, mospërfillja dhe përshpejtimi

  • ndarje : Largësia e drejtpërdrejtë nga pika e nisjes në pikën e fundit, duke përfshirë edhe drejtimin. Për shembull, ecja 5 metra në veri, pastaj 3 metra në lindje rezulton në një zhvendosje prej rreth 5.83 metra në verilindje. Kjo ndryshon nga distanca, që përmbledh rrugën e përgjithshme të udhëtuar (8 metra).
  • Graviteti : Shkalla e ndryshimit të zhvendosjes. Shpejtësia mesatare = zhvendosja e kohës prej ♫ e shpejtë është shpejtësia e menjëhershme në çdo moment specifik. Shpejtësia është madhësia e shpejtësisë ♫ një shkallër. Një makinë që udhëton në veri në 60 km/orë ka një shpejtësi prej 60 km/orësh në veri.
  • Accelution : Norma me të cilën ndryshon shpejtësia me kalimin e kohës. Kjo përfshin shpejtësinë, ngadalësimin ose ndryshimin e drejtimit. Për shembull, një makinë që kthen një qoshe me shpejtësi konstante po përshpejton sepse drejtimi i saj ndryshon. Accelrition = (shpejtimi përfundimtar - shpejtësia fillestare) {2 herë, me njësi të m/2.

Për të përfytyruar këto, konsideroni një grafik: një grafik me strada e pozicionit të kohës jep shpejtësi; një grafik me kohë të shpejta jep përshpejtimin. Zona nën grafikun me shpejtësi të barabartë me zhvendosjen. Këto marrëdhënie janë bazal në kitamatikë, studimi i lëvizjes pa lidhje me forcat.

Lloji i lëvizjes

Lëvizja mund të klasifikohet nga rruga dhe qëndrueshmëria e saj:

  • Lëvizja e linjares : Lëvizja përgjatë një vije të drejtë, si treni në një pistë të drejtë.
  • Lëvizja e lëvizjes së rotacionit : Lëvizje rreth një boshti, si një rrotullim rrotash apo Toka rrotulluar. përshkruar nga zhvendosja e thellë, shpejtësia e plotë, dhe përshpejtimi i thellë.
  • Lëvizja Periodike : Lëvizje e vazhdueshme dhe e para, të tilla si një lavjerrës ose një masë në një pranverë (lëvizje e thjeshtë harmonike).
  • Lëvizja e projeksionit : Dy-dimensionale nën gravitetin, d.sh., një goditje basketbolli. Komponenci horizontal është konstant (përmban rezistencën ajrore), ndërsa lëvizja vertikale përshpejton poshtë.

Njutoni i urdhëron ligjet e lëvizjes

Tre ligjet e Njutonit janë guri i themelit i mekanikës klasike, ato sigurojnë një kuadër për të lidhur forcat me lëvizjen që vjen si pasojë. çdo ligj mbështetet nga eksperimente të panumërta dhe përdoret ende sot për shumicën e aplikimeve inxhinierike (veç ku mbizotëron relativiteti apo efektet kuantike).

Ligji i Parë: Ligji i Inercisë

"Një objekt në pushim qëndron në pushim, dhe një objekt në lëvizje qëndron në lëvizje me një shpejtësi konstante përveç se të veprojë mbi nga një forcë e jashtme neto." Ky ligj fut konceptin e inercia ♫ tendencën e një objekti për t'i rezistuar ndryshimeve në gjendjen e lëvizjes së tij. Inertania është direkt proporcionale ndaj masës: objekte më masive kanë inercia më të madhe. Për shembull, një kamion i rëndë kërkon më shumë forcë për të përshpejtuar apo më shumë se sa një biçikletë që papritmas ju jeni duke e ndaluar në një makinë që ju vë përpara, sepse kjo është e shpejtë për të mbajtur në fuqi të jashtme.

Ligji i dytë: F = ma

"Përshpejtimi i një objekti është në proporcion të drejtë me forcën neto që vepron mbi të dhe në mënyrë të pajustifikueshme me masën e tij." Matematikisht: F net = m x a , ku F net është shuma vektoriale e të gjitha forcave, m është masë dhe një është përshpejtimi që rezulton. Ky ligj mat se si forcat ndikojnë në lëvizje. Për shembull, nëse shtyn një kuti të peshës 10 kg me 20 të forcës (ose fërkimin), shpejtësia është e njëjta forcë që zbatohet vetëm në një kuti që jep vetëm 20/2.

Ligji i tretë: Veprimi dhe reagimi

"Për çdo veprim, ka një reagim të barabartë dhe të kundërt." Kjo do të thotë që forcat vijnë gjithmonë në çifte, kur ju shtyn mbi një mur, muri ju shtyn prapa me të njëjtën madhësi. Ju nuk lëvizin, sepse toka gjithashtu ushtron fërkim për të mbajtur ju të palëvizshëm. Një raketë punon duke dëbuar gaz (veprim) dhe gazi e shtyn raketën lart (reksioni), duke ecur në këmbë prapa, ndërsa toka ju shtyn përpara. të rëndësishme, veprimi vepron dy palë në objekte të ndryshme, kështu që ata nuk e anullojnë njeri tjetrin.

Këto tre ligje së bashku na japin mundësi të parashikojmë lëvizje nga forcat dhe anasjelltas, për sisteme komplekse, inxhinierët i përdorin ato në simulime për të modeluar çdo gjë, që nga përplasjet e makinave deri te orbitat satelitore.

Si ndikon forca në lëvizje?

Forca është shkaku i përshpejtimit, por marrëdhënia nuk është gjithmonë e drejtpërdrejtë për shkak të forcave të shumta që veprojnë njëkohësisht. Forca nenet [[FT:1] është një shumë vektoriale e të gjitha forcave; nëse forca neto është zero, objekti ose mbetet në pushim ose vazhdon të lëvizë me shpejtësi konstante (ligji i parë i Newton-it). Nëse forca neto është zero, objekti përshpejtohet në drejtimin e forcës neto.

Fërkimi: Forca rezistente

Friksioni vjen nga interaktivët mikroskopikë midis sipërfaqes, gjithmonë vepron në kundërshtim me drejtimin e lëvizjes (ose të së ardhmes). Friksioni është thelbësor pa të, ju nuk mund të ecni, të shkruani me një laps ose të ngisni makinën, por gjithashtu shkakton humbje të energjisë si nxehtësi.

  • : Forca që pengon një objekt nga fillimi i lëvizjes. Ajo ndryshon nga zero në një vlerë maksimale, :5] ?" Ju duhet të kapërceni fërkimet statike në një objekt të caktuar. Për shembull, për të shtyrë një arkë të rëndë: deri sa të kalojë fërkimi i lartë, nuk lëvizet.
  • : Forca kundërshtare kur objekti është tashmë duke rrëshqitur. (FLT:1] Zakonisht është më pak se fërkimet maksimale statike ( [FT] [FT:6] [FT] [FT] [FT] [7], që shpjegon pse është më e lehtë të vazhdosh të lëvizësh një kuti se sa të lëvizësh.
  • Rezistenca e ndeshur kur një objekt rrotullohet mbi një sipërfaqe, shumë më e ulët se fërkimi.
  • Rezistenca e Aririt (FLT:1]: Një lloj fërkimi i lëngut që varet nga shpejtësia, sipërfaqja dhe forma. Për objektet në rënie, zvarritet derisa të balancojë gravitetin, duke rezultuar në shpejtësinë e termit ] , maksimumi i arritur. Skydiver e përjeton këtë kur ata ndalojnë përshpejtimin.

Kuptimi i fërkimit është kritik në projekt: frenat mbështeten në fërkime të larta, ndërsa motorët dhe pajisjet që kanë për qëllim ta minimizojnë atë. Bashkëfinancimi i fërkimeve ndryshon gjerësisht: gomë në beton të thatë (0.7-1.0) kundër çelikut të lubrifikuar (Yrand0.050-0.1).

Programe praktike për forcën dhe lëvizjen mekanike

Parimet e forcës dhe lëvizjes përshkojnë çdo aspekt të teknologjisë dhe jetës së përditshme.

Transporti

  • Carks : Motori prodhon torque për të ngarë rrotat, duke gjeneruar forcë fërkimi nga gomat në rrugën për të shtyrë makinën përpara. Brakes aplikojnë fërkime për rrotat për të çeteratuar. Seatbelt dhe thasët e ajrit përdorin inertinë për të mbrojtur pasagjerët gjatë një ndaljeje të papritur.
  • Aeroplanët : Motorët e motorëve prodhojnë shtytës (një forcë reaksioni) për të kapërcyer tërheqjen, ndërsa krahët krijojnë ngritje nëpërmjet ndryshimeve në presion.
  • Treins : Rrota çeliku në shinat e çelikut minimizojnë fërkimet e valëzuara, duke lejuar udhëtimin e efektshëm me shpejtësi të lartë. Trenat magnetike (maglev) përdorin forcat magnetike për të lëvizur dhe për të hequr qafe, duke eliminuar tërësisht fërkimet.

Makineria dhe inxhinieria

  • Makinat e thjeshtë : Livers, shkulës dhe aeroplanë të prirur lartësojnë forcat për ta bërë më të lehtë punën.
  • Robotics : armët robotike përdorin motorë (torque), nyje dhe lidhje për të aplikuar forca dhe lëvizje të sakta.
  • Inxhinieria Structurale : Ndërtesat dhe urat duhet t'u bëjnë ballë forcave të tilla si peshat gravitacionale, era dhe tërmetet. Inxhinierët llogarisin streset (forcimet për zonë) dhe trarët e projektimit, kolonat dhe themelet për të shmangur dështimin.

Sporte dhe zbavitje

  • Lëvizja e Projektimit : Një goditje basketbolli, hedhje ushtë dhe një goditje golfi përfshijnë të gjitha nisjen e një objekti në një kënd optimal (që zakonisht 45° për gamën maksimale të neglizhimit të rezistencës ajrore). trajektora është parbolike për shkak të gravitetit.
  • Përhapja në Sporte : Lojtarët e futbollit përdorin kleat për të rritur fërkimet me bar; broke bejsbolli mbështetet në fërkime për të rrotulluar topin për skudra.
  • Momentum dhe Colisions : Në sporte si boksi apo futbolli, sensivisht impulsi për të kuptuar (koha e detyruar e xeherit) ndihmon në hartimin e pajisjeve mbrojtëse që zgjat kohën e ndikimit për të reduktuar forcën në trup.

Përmbledhja dhe eksplorimi i mëtejshëm

Duke kuptuar natyrën vektoriale të forcave, sasitë e lopëve dhe ligjet e Njutonit, ju fitoni aftësinë për të analizuar pse objektet sillen ashtu siç sillen ata.

Për të thelluar kuptueshmërinë tuaj, eksploroji këto burime:

Të mësosh këto gjëra bazë hap derën për tema të përparuara si puna, energjia, vrulli dhe dinamika e rrotullimit, të gjitha të cilat ndërtojnë mbi të njëjtat ide bazë.