Πώς ένα δωρεάν διάγραμμα σώματος λύει προβλήματα δύναμης;
1. Απομόνωση του αντικειμένου:
- Το πρώτο βήμα είναι να προσδιορίσετε το αντικείμενο ενδιαφέροντος για το πρόβλημά σας. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα αυτοκίνητο, ένα κουτί, ένα άτομο ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο.
- Φανταστείτε αυτό το αντικείμενο που απομονώνεται από το περιβάλλον του.
2. Προσδιορισμός των δυνάμεων:
- Σκεφτείτε όλες τις δυνάμεις που ενεργούν στο αντικείμενο. Αυτές οι δυνάμεις μπορούν να είναι:
- δυνάμεις επαφής: Δυνάμεις που προκύπτουν από την άμεση επαφή, όπως:
- Κανονική δύναμη:Η δύναμη που ασκείται από μια επιφάνεια σε ένα αντικείμενο σε επαφή με αυτό.
- Δύναμη τριβής:Η δύναμη που αντιτίθεται στην κίνηση μεταξύ δύο επιφανειών σε επαφή.
- Εφαρμοσμένη δύναμη:Μια δύναμη που εφαρμόζεται απευθείας στο αντικείμενο.
- Δυνάμεις μη επαφής: Δυνάμεις που δρουν από απόσταση, όπως:
- Βαρβική δύναμη:Η δύναμη έλξης μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αντικειμένων με μάζα.
- Μαγνητική δύναμη:Η δύναμη που ασκείται από μαγνήτες.
- Ηλεκτρική δύναμη:Η δύναμη που ασκείται από φορτισμένα αντικείμενα.
3. Αντιπροσωπεύοντας τις δυνάμεις:
- Σχεδιάστε ένα απλό διάγραμμα του απομονωμένου αντικειμένου.
- Αντιπροσωπεύστε κάθε δύναμη ως βέλος:
- Η ουρά του βέλους πρέπει να τοποθετηθεί στο αντικείμενο.
- Το μήκος του βέλους πρέπει να είναι ανάλογο του μεγέθους της δύναμης.
- Η κατεύθυνση του βέλους πρέπει να αντιπροσωπεύει την κατεύθυνση της δύναμης.
4. Επισήμανση των δυνάμεων:
- Σαφώς επισημάνετε κάθε δύναμη με το όνομα και το σύμβολο της (π.χ. "FG" για βαρυτική δύναμη).
- Χρησιμοποιήστε πρότυπα σύμβολα για τις δυνάμεις (π.χ. "N" για κανονική δύναμη "F" για τριβή).
5. Ανάλυση των δυνάμεων:
- Μόλις έχετε ένα πλήρες FBD, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα για να αναλύσετε την κίνηση του αντικειμένου.
- Ο πρώτος νόμος του Newton (νόμος αδράνειας): Ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας θα παραμείνει σε ηρεμία και ένα αντικείμενο σε κίνηση θα παραμείνει σε κίνηση με σταθερή ταχύτητα, εκτός εάν ενεργήσει από μια καθαρή δύναμη.
- Ο δεύτερος νόμος του Newton (νόμος επιτάχυνσης): Η επιτάχυνση ενός αντικειμένου είναι άμεσα ανάλογη με την καθαρή δύναμη που ενεργεί σε αυτό και αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα του (F =MA).
- Τρίτος νόμος του Newton (νόμος δράσης-αντίδραση): Για κάθε δράση, υπάρχει ίση και αντίθετη αντίδραση.
Πώς τα FBDs λύουν προβλήματα δύναμης:
* Σαφήνεια και οργάνωση: Τα FBD παρέχουν μια οπτική αναπαράσταση όλων των δυνάμεων που δρουν σε ένα αντικείμενο, καθιστώντας ευκολότερη την κατανόηση και την ανάλυση του προβλήματος.
* Εφαρμογή των νόμων του Νεύτωνα: Τα FBDs σας βοηθούν να προσδιορίσετε τις δυνάμεις που εμπλέκονται και να εφαρμόσετε τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα για την επίλυση άγνωστων ποσοτήτων όπως η επιτάχυνση, η ένταση ή η κανονική δύναμη.
* Απλοποιημένη ανάλυση: Με την απομόνωση του αντικειμένου, μπορείτε να εστιάσετε μόνο στις δυνάμεις που επηρεάζουν άμεσα, καθιστώντας το πρόβλημα απλούστερο στην επίλυση.
Παράδειγμα:
Φανταστείτε ένα κουτί που στηρίζεται σε ένα τραπέζι. Θέλετε να μάθετε τη δύναμη που απαιτείται για να ωθήσει το κουτί οριζόντια με σταθερή ταχύτητα.
* FBD: Σχεδιάστε ένα κουτί.
* Οι δυνάμεις που δρουν στο κουτί είναι:
* Βάρος (FG): Προς τα κάτω δύναμη λόγω βαρύτητας.
* Κανονική δύναμη (n): Προς τα πάνω από το τραπέζι.
* Εφαρμοσμένη δύναμη (FA): Η δύναμη που υποβάλλετε αίτηση για να πιέσετε το κουτί.
* δύναμη τριβής (f): Η δύναμη αντίθετη κίνηση.
* Νόμοι του Νεύτωνα: Δεδομένου ότι το κουτί κινείται με σταθερή ταχύτητα, η καθαρή δύναμη είναι μηδενική (ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα). Αυτό σημαίνει ότι τα FA και F πρέπει να είναι ίσα σε μέγεθος και απέναντι από την κατεύθυνση.
με την κατάρτιση του FBD και την εφαρμογή των νόμων του Νεύτωνα, έχετε λύσει με επιτυχία το πρόβλημα και καθορίσατε την εφαρμοζόμενη δύναμη που απαιτείται για να μετακινήσετε το κουτί.
Τα FBD είναι ένα βασικό εργαλείο για όσους μελετούν τη φυσική ή τη μηχανική. Σας βοηθούν να απεικονίσετε τις δυνάμεις, να κατανοήσετε τις αλληλεπιδράσεις τους και να λύσετε πολύπλοκα προβλήματα που σχετίζονται με τη δύναμη.
