Mechanikai erők; A fizika alapismeretei
Az erőket az általuk kiváltott hatások alapján ismerheti fel. Ha egy test deformálódik, vagy ha a sebessége változik, mindig egy erő okozza. Az erők azonban úgy is működhetnek, hogy nem változtatják meg a test mozgási állapotát, vagy anélkül, hogy (láthatóan) deformálódnának. Ebben az esetben több egyidejűleg ható erő hatástalanítja egymást ("több erő kölcsönhatása").
Az íjászatban a húr kifeszül, és az íj rugalmasan deformálódik. Ha elengedi a húrot, akkor az íj feszültsége felgyorsítja a nyilat.
Newton törvényei¶
Az alábbiakban röviden bemutatott három elv képviseli a klasszikus mechanika alapjait, ezeket először 1687-ben írta le Isaac Newton.
Newton 1. törvénye ("tehetetlenségi törvény")
A mozgás állapotának megváltoztatásához, vagyis a gyorsuláshoz mindig erő szükséges. Ennek oka az úgynevezett „tehetetlenség”, amely minden test tulajdonsága, hogy tömegének köszönhetően ellenálljon a gyorsulásnak. Eredetileg Galileo Galilei és Isaac Newton valami hasonló módon fogalmazták meg ezt a törvényt:
Amikor egy test egyenes vonalban mozog rögzített sebességgel, a mozgás mennyisége és iránya állandó marad, amíg egy erő megváltoztatja a mozgását. Az a tény, hogy a mindennapi életben megszoktuk, hogy a gyorsító erők nélküli tárgyak valamikor önmagukban nyugodnak meg, a soha elkerülhetetlen súrlódási erőknek és a légellenállásnak köszönhető. Az űrben azonban, ahol az anyag hiánya miatt nincs súrlódás, a bolygók sok millió éven keresztül keringenek a nap (ok) körül, anélkül, hogy elvesztenék sebességüket.
A test fékezése a (negatív) gyorsulásnak is megfelel, és ennek megfelelően erőt igényel.
Newton 2. törvénye ("erőtörvény")
A gyorsulás vagy deformáció okát általában erőnek nevezik. Az erő nagysága és az általa okozott gyorsulás közötti kvantitatív kapcsolatot először Isaac Newton írta le matematikai egyenlet formájában.
Az erő nagysága arányos azzal a gyorsulással, amelyet a tömeg teste megtapasztal: [2]
(1) ¶
A gyorsulás iránya megfelel a gyorsító erő irányának.
Az erőket a Newton egységben adják meg:
Egy tömeg test gyorsulást tapasztal egy erővel .
Ez érvényes a térben, vákuumban, és általában, ha nincs súrlódás. A tényleges gyorsulás a gyakorlatban lényegesen kisebb lehet a súrlódási erők miatt.
megfelel egy nehéz test súlyának a földön.
A tapasztalatok tömege kb. A földön. Szabad esésben a föld körüli (pontosabban:) gyorsulást fejt ki rajtad.
Az erőket okuk (izomerő, mágneses erő, motoros erő stb.) Vagy hatásuk (húzóerő, nyomóerő, hajtóerő, deformációs erő stb.) Szerint nevezik meg.
| Kényszerítés | Az erő mértéke |
| Normál levél súlya | |
| Egy tábla csokoládé súlya | |
| Egy liter víz tömege | |
| Egy kilogramm cukor súlya | |
| Egy személy súlya | |
| Egy autó húzóereje | |
| Mozdony húzóereje | |
| A Föld vonzereje a Hold felé |
Newton 3. törvénye ("erő és ellensúly")
Minden erőnek ugyanolyan nagy az ellenereje. Az erő és az ellenkező erő ellentétes irányú, és különböző testekre hat - nem mondhatják le egymást.
Súly lóg egy szálon. A menet megakadályozza a minta leesését. Van benne olyan erő, amely akkora, mint a test súlya. Mindkét erő eltér egymástól. A menetben lévő erő és a súly ellentétes irányú, hatásukban kioltják egymást.
Kényszer és ellensúly egy függő súlyon.
Ha elvágja a szálat, a test egyenes vonalban, állandó gyorsulással mozog a föld gravitációs húzása miatt (a légellenállást elhanyagolják). Mivel minden erő kölcsönösen hat, a test a földet is vonzza. A föld „leesik” a test felé - de a hatás olyan kicsi, hogy nem vesszük észre.
Összeg, cselekvési vonal és támadási pont¶
Az erő hatásának megjóslásához nemcsak ismerni kell az erő nagyságát ("mennyiségét"), hanem azt is, hogy melyik ponton és melyik irányban hat.
Az erővektort világosan meghatározza mennyisége, hatásvonala és alkalmazási pontja.
A koordinátarendszerekben és a rajzokban az erőket általában nyilak jelzik („vektorok”). Az alábbiak érvényesek:
- A nyíl hossza egy bizonyos skálán (például) jelzi az erő mértékét. A skála megválasztása tetszőleges, de a rajz összes erőjére egyformán kell vonatkoznia.
- A nyíl kezdőpontja megegyezik az erő alkalmazási pontjával.
- A nyíl iránya megfelel az erő hatásvonalának.
Az erővektor tetszés szerint eltolható a hatásvonal mentén, megfelelő erőátvitel nélkül, anélkül, hogy bármi megváltozna az erő fizikai hatásában.
Erőátvitel kötéllel, rúddal és lánccal
Sok esetben hasznos, ha egy erőt „távolról” hagyunk hatni, vagyis az alkalmazási pontját a cselekvési vonal mentén mozgatjuk.
- A húzóerőket kötelek és láncok segítségével át lehet vinni egy másik testbe,
- Rudak segítségével - és bizonyos mértékben drótokkal is - mind a húzóerők, mind a nyomóerők átkerülhetnek egy másik testbe.
A fogaskerekeket és a fogasléceket általában erőátviteli sebességváltókban használják.
Deformáció és rugalmasság¶
A sebesség mellett az erők megváltoztathatják a test alakját is. A test anyagától függően a deformációk kétféleképpen lehetségesek:
Rugalmas folyamat esetén a test deformációja visszahúzódik, amikor a deformáló erő alábbhagy. Tipikus rugalmas anyag a gumi, de sok fémnek (pl. Acél) is van rugalmas hatása, ha az erő nem túl nagy.
Példa: A gumilabda visszatér az eredeti formájához, amikor már nincs rá erő.
Plasztikus folyamatban a deformáció akkor marad meg, ha az erő már nem hatékony. Jellemző műanyag a modellező agyag, viasz, agyag, ólom stb.
Példa: A viaszból vagy modellező agyagból készült összenyomott golyó deformációja megmarad.
Nincs olyan szövet, amely teljesen rugalmas vagy teljesen rugalmatlan. Ha csak kis erők hatnak, a réz például rugalmasan viselkedik. Nagy erőkkel plasztikusan viselkedik.
Erőmérés¶
Az erő deformáló hatását gyakran használják a mechanikai erő mérésére. Például minél többet csavarsz vagy spirálrugót szét, annál nagyobb a feszültség, amellyel a rugó ellenáll a deformációnak. Ha van egy megfelelő skála egy rugón, akkor a rá ható erő közvetlenül leolvasható. Mivel egy rugót nem lehet tetszés szerint meghúzni, vannak különböző rugókeménységű és skálájú rugós dinamométerek, amelyek alkalmasak különböző mérési tartományokra.
Példa egy rugós fékpadra.
Mozgó testek, például autók esetében az erő a karosszéria sebességének változásából határozható meg - ehhez azonban a test tömegét ismerni kell. Ha megméri a sebesség változását és az ehhez szükséges időt, kiszámíthatja a gyorsulást, és az (1) egyenletbe illesztve megkapja a tényleges erőt:
Látszólagos erők¶
Newton-törvények segítségével a test mozgása megfelelően leírható egy nyugalmi referencia-rendszerben vagy egy állandó sebességgel egyenes referencia-rendszerben (úgynevezett "inerciarendszer"). Egy gyorsított referenciarendszerben azonban úgynevezett „látszólagos erőket” kell figyelembe venni a mozgások leírása során.
Például, ha folyamatosan mozog vagy álló vonatkocsiban van, és egy labdát függőlegesen a levegőbe dob, akkor az ismét a saját kezébe kerül. Ha azonban a vonat felgyorsul, miután a labda elhagyta a kezét, akkor a vonat által felgyorsított dobó szempontjából úgy tűnik, hogy a repülés során eltávolodik a kéztől. Tehát míg egy külső szemlélő számára a vonat elmozdul a vízszintesen egyenletesen mozgó labda alól, a vonaton lévő megfigyelőnek a golyón olyan erőre kell gondolnia, amely ellentétes a vonat gyorsulásával, hogy képes legyen megjósolni a labda mozgását.
Egy olyan erőt, amely csak gyorsított referenciarendszerben fordul elő, látszólagos erőnek nevezzük. Ez megegyezik a felgyorsított tárgy tömegének és egy olyan gyorsulás szorzatának, amely megegyezik a referenciarendszer gyorsulásával, de ellentétes irányban hat:
Fontos látszólagos erő az a tehetetlenségi erő, amely például a járművek gyorsulásakor vagy fékezésekor jelentkezik. Ennek a tehetetlenségi hatásnak egy speciális esete a körmozgásban lévő centrifugális erő. A tehetetlenségi erőket technikai alkalmazásokban is használják, amikor nagy erőt kell elérni egy tárgy gyors fékezésével, például kalapáláskor, préseléskor stb.
Ha egy megfigyelő és a megfigyelt objektum egy gyorsított referenciarendszerben van, akkor ugyanazt a gyorsulást fogja tapasztalni, mint maga az objektum. Ebből a megfigyelői szempontból az objektum nyugalomban van, vagy állandó sebességgel mozog; a tárgyra ható erők az együttgyorsított megfigyelő szempontjából nulla értéket adnak.
Helyhez kötött megfigyelő szempontjából az objektum dinamikája (a ko-gyorsított megfigyelő perspektívájához képest) csak a tehetetlenségi erő különbözik egymástól. Tehát a tárgyra ható erők álló referencia rendszerében a következőket kell alkalmazni:
Ezt az egyenletet felfedezőjéről nevezték el, és D'Alembert elvének szokták nevezni. Használható a dinamikus folyamatok visszavezetésére a statikus egyensúlyi viszonyokra, és így könnyebben kiszámíthatóak.
Matematikai jelölésben ez azt jelenti, hogy egy test sebességvektora állandó marad, ha az összes ható erő összege nulla:
Vannak kísérletek és gyakorlatok ehhez a szakaszhoz .