Как работает нормальная сила?
Из того, что я прочитал:
Нормальная сила - это сила, препятствующая прохождению объектов друг через друга, то есть сила отталкивания от заряда.
Нормальная сила будет настолько большой, насколько это необходимо для предотвращения проникновения предметов друг в друга.
Мой вопрос касается сценария человека в лифте:
Лифт имеет массу $1000kg$ и у человека масса $10kg$
В первые несколько секунд переменные ($_e$ для "лифта" и $_p$ для "человека", я предполагаю, что ускорение свободного падения равно $-10m/s^2$, «-» - вниз):
$v_e$ знак равно $0m/s$
$a_e$ знак равно $0m/s^2$
$v_p$ знак равно $0m/s$
$a_p$ знак равно $0m/s^2$
А силы такие:
Сила тяжести на лифте $f_g(elevator)=m_e*-10/s^2$
Сила тяжести на человека $f_g(person)=m_p*-10m/s^2$
Сила троса, удерживающего лифт на месте (без учета веса человека, потому что это один из моих вопросов) $f_w = +f_g(elevator)$
Теперь к человеку приложена сила тяжести, $f_g=10kg*-10m/s^2=-100n$
Таким образом, человек должен ускоряться вниз, но он не может пройти через лифт из-за нормальной силы, о которой я сказал то, что, как я думаю, он делает в начале вопроса.
Вот что, я думаю, происходит:
Если бы нормальная сила была приложена к лифту ногами человека, то она была бы больше, чем если бы она была приложена к ногам человека лифтом (поскольку масса человека потребовала бы меньшей силы для лифта, чтобы остановите его, чем масса лифта потребует от человека, чтобы лифт двигался вместе с ним, чтобы он / она не проникли в лифт)
Поэтому лифт прилагает к человеку нормальную силу (настолько малую, насколько это возможно), чтобы они не проникли друг в друга, $f_n=f_g(person)$
Когда есть результирующая сила на лифте , который ускоряет его вверх, нормальная сила прикладывается на человека в лифте , чтобы предотвратить их от проникновения друг друга , потому что это так , как это меньше , чем если бы нормальная сила была применена на лифте лицом (поскольку масса человека потребует меньше усилий для лифта, чтобы заставить человека двигаться вместе с ним, чем масса лифта потребует, чтобы человек остановил лифт, чтобы он не проник).
И нормальная сила в этом случае $f_n=m_p*(a_g+a_e)$ наносится на человека у лифта.
Главное:
- Ilis моя интерпретация нормальной силы правильно ?? или это нормальная сила должна быть применена на «движущейся» объекта ??
- Я много слышал о том, что, когда лифт начинает замедляться (ускоряться в нисходящем направлении), лифт применяет к человеку нормальную силу, которая настолько мала, насколько это возможно, чтобы предотвратить ее / его проникновение в лифт, и потому что лифт при замедлении сила будет меньше силы тяжести (при условии, что у человека была скорость лифта до того, как он замедлился)
Но если лифт замедляется (то же самое происходит, если скорость была отрицательной), это означает, что какое-то время человек не будет контактировать с лифтом (потому что скорость человека должна быть такой же, как у лифта для него / него. чтобы не проникнуть в лифт, лифт должен сначала изменить свою скорость, прежде чем скорость человека может измениться из-за нисходящего ускорения силы тяжести)
Так как же может быть применена нормальная сила ??
- Нормальная сила приходит парами ?? и если да, то каким образом ??
Если нет, то какая сила противоположна и равна нормальной силе?
Я постарался сделать свой вопрос максимально ясным ....... (:
Ответы
Да, нормальные силы действуют парами: лифт оказывает на человека нормальную силу, а человек оказывает на лифт обычную силу. Эти две нормальные силы равны по величине и противоположны по направлению - это Третий закон Ньютона.
Лучший и самый простой подход к этому типу проблемы - рассмотреть каждый объект отдельно, определить силы, действующие на каждый объект, и использовать Второй закон Ньютона. $F=ma$связать силы с ускорением объекта. Затем вы можете увидеть, достаточно ли у вас информации для определения значений каких-либо неизвестных сил или ускорений. Может помочь, если вы нарисуете диаграмму для каждого объекта, показывающую силы, действующие только на этот объект - это называется диаграммами «свободного тела».
Когда человек и лифт неподвижны, мы знаем, что на человека действуют две силы:
- Гравитация, создающая силу $100$ Ньютоны вниз (кстати, $10$кг - очень маленький человек, но это цифра, которую вы дали для его массы).
- Нормальная сила от пола лифта - назовем это $N$ Ньютоны вверх.
У человека ускорение $0$, поэтому Второй закон Ньютона говорит нам, что чистая сила, действующая на человека, должна быть $0$. Так$100-N=0$, и поэтому мы знаем, что $N=100$ Ньютоны.
Теперь обратимся к лифту. На лифте действуют три силы:
- Гравитация, создающая силу $10000$ Ньютоны вниз.
- Нормальная сила от человека, которая является силой $N$Ньютоны вниз. Мы знаем это$N$ здесь имеет то же значение, что и обычная сила, действующая на человека, потому что Третий закон Ньютона говорит нам, что если подъемная сила оказывает на человека силу, то человек оказывает равную и противоположную силу в списке.
- Напряжение в проволоке, которое мы назовем $T$ Ньютоны вверх.
У лифта также есть ускорение $0$, поэтому мы знаем, что результирующая сила на нем должна быть $0$, так $T = 10000 + N$. Но мы знаем из нашего анализа человека, что$N=100$Ньютоны. Следовательно$T=10100$Ньютоны. Это имеет интуитивный смысл, потому что трос должен выдерживать вес лифта и человека.
Точно такой же анализ верен, если лифт движется с постоянной скоростью (потому что его ускорение и ускорение человека по-прежнему равны нулю). Однако, если лифт ускоряется вверх с ускорением$a$ метров в секунду в квадрате, тогда уравнение силы для человека принимает следующий вид:
$N - 100 = 10a \\ \Rightarrow N=100+10a$
Другими словами, нормальная сила $N$увеличивается (вот почему вы чувствуете себя тяжелее в лифте, который ускоряется вверх - вы чувствуете повышенную нормальную силу на ногах).
А для лифта у нас есть
$T - 10000 - N = 1000a \\ \Rightarrow T = 10000 + N + 1000a = 10100 + 1010a$
Другими словами, натяжение троса увеличивается, потому что теперь он должен выдерживать вес лифта и человека и обеспечивать достаточную дополнительную силу для ускорения их обоих вверх с ускорением$a$. Обратите внимание, что не имеет значения, равна ли скорость лифта нулю, вверх или вниз - важно только ускорение .
Точно так же, если лифт ускоряется вниз, нормальные силы и натяжение в тросе будут уменьшены, но учтите, что нормальные силы и натяжения в тросах не могут стать отрицательными. Если мы хотим ускорить лифт и человека вниз с ускорением больше, чем $10$ м / с ^ 2, тогда нам пришлось бы заменить проволоку на жесткий стержень, чтобы $T$ может действовать вниз, и нам придется дать человеку возможность держаться за пол, чтобы $N$ может действовать и вниз.
И ступни человека, и поверхность лифта оказывают друг на друга равные и противоположные силы отталкивания, независимо от того, какая из них пытается проникнуть в другую.
Сила отталкивания между зарядами становится очень большой по мере уменьшения расстояния между ними. Поэтому, когда вы пытаетесь поставить обувь на поверхность лифта, заряды на обеих поверхностях (туфле и лифте) становятся очень близко друг к другу. Когда вы стоите на месте, заряды на каждой поверхности постоянно отталкивают заряды на другой поверхности с равной и противоположной силой.
Допустим, вы прыгаете с поверхности лифта и после этого приземляетесь на ноги. Пока вы в воздухе, гравитация сбивает вас с ног. Когда ваши туфли подходят очень близко к поверхности лифта при спуске, силы отталкивания от зарядов на поверхности лифта препятствуют вашему движению. Вы начинаете замедляться, пока не остановитесь. Тот факт, что вы сейчас находитесь в состоянии покоя, автоматически означает, что сила отталкивания лифта, действующая на вас, теперь равна вашему весу и противоположна ему.
В то время как заряды на поверхности лифта пытались замедлить вас за счет отталкивания, заряды на вашей обуви также отталкивали лифт вниз с равной силой (третий закон Ньютона). Это попытается заставить лифт ускориться вниз. Прямо сейчас две силы будут пытаться ускорить лифт вниз: отталкивание от вашей обуви и вес лифта. К счастью, лифт висит на веревке. Таким образом, он сначала попытается проникнуть через поверхность веревки, прежде чем сможет упасть. Между поверхностью троса и поверхностью лифта, контактирующими друг с другом, возникают силы отталкивания. Если веревка достаточно прочная, сила отталкивания от нее на лифте сможет противодействовать как силе вашей обуви на лифте, так и весу лифта. В этом случае лифт вообще не будет ускоряться.
В то время как силы отталкивания от каната пытаются уравновесить нисходящие силы на лифте, заряды на части лифта, контактирующей с канатом, также прикладывают равную и противоположную силу отталкивания к канату, пытаясь ускорить его вниз. Веревка затянется. Иногда этой силы будет достаточно, чтобы противостоять силам притяжения, которые удерживают частицы веревки вместе (это также силы, возникающие из-за зарядов, составляющих веревку). В этом случае частицы веревки отделяются, и веревка разрывается.
Несколько замечаний, которые могут вам помочь.
Нормальная сила подчиняется 3-му закону Нетвона и применяется в равных и противоположных условиях между задействованными телами. Однако силы, действующие на землю, часто не принимаются во внимание. Но для всех остальных пар тел нормальную силу необходимо учитывать на обоих телах.
Всегда рисуйте схему свободного тела, показывающую каждое тело отдельно и все силы, действующие на них.
Нормальные силы - это все, чем они должны быть для того, чтобы тела подчинялись всем кинематическим ограничениям. Если два тела должны иметь общую составляющую скорости из-за контакта (как в примере с лифтом), то нормальная сила находится из этого ограничения.
В общем, вектор ускорения двух вращающихся контактирующих тел не совпадает , и чтобы привести ограничение скорости в форму ускорения, вы должны рассматривать точку контакта как неподвижную. См. Этот ответ по этой конкретной проблеме, которую я опубликовал.
В вашем случае, поскольку ни одно из тел не вращается, пункт 4 является спорным. Использование уравнений движения для каждого тела на диаграмме свободного тела, а также уравнения связи.
$$\begin{aligned} N - m_p g & = m_p a_p \\ T-N - m_e g & = m_e a_e \\ a_p &= a_e \end{aligned}$$
где $T$ натяжение троса лифта, и $N$нормальная сила. Смотри как$+N$ действует на человека и $-N$на лифте? Это три уравнения с тремя неизвестными, двумя ускорениями и нормальной силой.