Problemele de echilibru din fizică sunt luate în considerare în secțiunea de statică. Una dintre forțele importante care este prezentă în orice sistem mecanic aflat în echilibru este forța de reacție a suportului. Ce este și cum se poate calcula? Aceste întrebări sunt detaliate în articol.
Care este reacția suportului?
Fiecare dintre noi merge zilnic pe suprafața pământului sau pe podea, deschide ușa, se așează pe un scaun, sprijinindu-se pe masă, urcă pe palier. În toate aceste cazuri, există o forță de reacție a suportului, care face posibilă realizarea acțiunilor enumerate. Această forță în fizică este notă cu litera N și se numește normală.
După definiție, forța normală N este forța cu care suportul acționează asupra corpului în contact fizic cu acesta. Se numește normală deoarece este îndreptată de-a lungul normalei (perpendiculare) pe suprafață.
Reacția normală de sprijin apare întotdeauna ca răspuns al unei forțe externe la unul sau altă suprafață. Pentru a înțelege acest lucru, ar trebui să ne amintim de a treia lege a lui Newton, care spune că pentru fiecare acțiune există o reacție. Când corpul apasă pe suport, acesta acționează asupra corpului cu același modul de forță ca și corpul pe acesta.
Motivul apariției forței normale N
Acest motiv constă în puterea elasticității. Dacă două corpuri solide, indiferent de materialele din care sunt realizate, sunt aduse în contact și ușor presate unul împotriva celuil alt, atunci fiecare dintre ele începe să se deformeze. În funcție de mărimea forțelor care acționează, deformația se modifică. De exemplu, dacă o greutate de 1 kg este așezată pe o placă subțire, care se află pe două suporturi, atunci se va îndoi ușor. Dacă această sarcină crește la 10 kg, cantitatea de deformare va crește.
Deformarea emergentă tinde să restabilească forma originală a corpului, creând în același timp o anumită forță elastică. Acesta din urmă afectează organismul și se numește reacție de sprijin.
Dacă te uiți la un nivel mai profund, mai mare, poți vedea că forța elastică apare ca urmare a convergenței învelișurilor atomice și a respingerii lor ulterioare datorită principiului Pauli.
Cum se calculează forța normală?
S-a spus deja mai sus că modulul său este egal cu forța rezultată direcționată perpendicular pe suprafața luată în considerare. Aceasta înseamnă că, pentru a determina reacția suportului, este mai întâi necesar să se formuleze o ecuație a mișcării, folosind a doua lege a lui Newton, de-a lungul unei drepte care este perpendiculară pe suprafață. Dinaceastă ecuație, puteți găsi valoarea N.
O altă modalitate de a determina forța N este de a implica starea fizică a echilibrului momentelor de forțe. Această metodă este convenabilă de utilizat dacă sistemul are axe de rotație.
Momentul forței este o valoare care este egală cu produsul dintre forța care acționează și lungimea pârghiei în raport cu axa de rotație. Într-un sistem aflat în echilibru, suma momentelor forțelor este întotdeauna egală cu zero. Ultima condiție este folosită pentru a găsi valoarea necunoscută N.
Rețineți că, dacă există un suport în sistem (o axă de rotație), forța normală va crea întotdeauna un moment zero. Prin urmare, pentru astfel de probleme, metoda descrisă mai sus ar trebui aplicată folosind legea newtoniană pentru a determina reacția de sprijin.
Nu există o formulă specifică pentru calcularea forței N. Se determină ca urmare a rezolvării ecuațiilor de mișcare sau de echilibru corespunzătoare pentru sistemul de corpuri considerat.
Mai jos oferim exemple de rezolvare a problemelor, unde arătăm cum se calculează reacția normală a suportului.
Problemă cu planul înclinat
Bara este în repaus pe un plan înclinat. Masa grinzii este de 2 kg. Planul este înclinat față de orizont la un unghi de 30o. Care este forța normală N?
Această sarcină nu este dificilă. Pentru a obține un răspuns la aceasta, este suficient să luăm în considerare toate forțele care acționează de-a lungul unei linii perpendiculare pe plan. Există doar două astfel de forțe: N și proiecția gravitației Fgy. Deoarece acţionează în direcţii diferite, ecuaţia lui Newton pentru sistem va lua forma:
ma=N - Fgy
Deoarece fasciculul este în repaus, accelerația este zero, deci ecuația devine:
N=Fgy
Proiecția forței gravitaționale pe normala planului nu este greu de găsit. Din considerente geometrice, găsim:
N=Fgy=mgcos(α)
Înlocuind datele din condiție, obținem: N=17 N.
Problemă cu două suporturi
Pe două suporturi se așează o scândură subțire, a căror masă este nesemnificativă. La 1/3 din suportul din stânga s-a pus pe tablă o încărcătură de 10 kg. Este necesar să se determine reacțiile suporturilor.
Deoarece există două suporturi în problemă, pentru a o rezolva, puteți folosi condiția de echilibru prin momentele de forță. Pentru a face acest lucru, presupunem mai întâi că unul dintre suporturi este axa de rotație. De exemplu, corect. În acest caz, condiția de echilibru moment va lua forma:
N1L - mg2/3L=0
Aici L este distanța dintre suporturi. Din această egalitate rezultă că reacția suportului N1left este egală cu:
N1=2/3mg=2/3109, 81=65, 4 N.
La fel, găsim reacția suportului potrivit. Ecuația momentului pentru acest caz este:
mg1/3L - N2L=0.
De unde obținem:
N2=1/3mg=1/3109, 81=32,7 N.
Rețineți că suma reacțiilor găsite ale suporturilor este egală cu gravitația sarcinii.
