Основное содержание
Физика
Course: Физика > Модуль 3
Урок 3: Уравновешенные и неуравновешенные силыУравновешенные и неуравновешенные силы
Знакомство с определением уравновешенных и неуравновешенных сил. Создатели: Сэл Хан.
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.
Транскрипция к видео
Вы будете часто слышать
термины «уравновешенные силы»
и «неуравновешенные силы», если будете иметь дело
с физикой. И в этом видео я хочу
показать вам ряд сценариев, чтобы вы решили, являются
ли в них силы уравновешенными или нет.
Итак, давайте начнём с примера, где на земле находится
камень. Сила тяжести будет
тянуть камень вниз, к центру Земли,
в основном из-за веса камня, будет его тянуть вниз, допустим,
с силой в 5 ньютонов. Итак, 5 ньютонов по направлению
вниз. Но камень также и поддерживается
землёй, которая не позволяет ему
проваливаться вниз, обеспечивает силу, направленную
вверх, или – в данной ситуации
– нормальную силу. Обозначу землю зелёным
цветом. В нашем случае земля обеспечивает
нормальную силу в 5 ньютонов.
Эти силы имеют одну и ту же модульную величину,
но они противоположно направлены. Итак, это первый сценарий.
Теперь давайте подумаем о другом сценарии.
Я снова рисую камень. Допустим, что это тот же
самый камень, сила тяжести по-прежнему
направлена вниз и равна 5 ньютонов.
И здесь по-прежнему есть нормальная сила,
равная 5 ньютонам и
направленная вверх.
Теперь здесь есть некто, пытающийся сдвинуть камень,
толкающий камень
с силой, равной 2 ньютонам и направленной вправо.
Но также есть и сила трения между камнем и землёй, которая
равна -- изображу трение оранжевым
– 2 ньютонам и направлена влево.
Вот здесь есть сила трения, и она
действует против силы, прилагаемой человеком.
Теперь изобразим другой, опять же, очень похожий
сценарий. Рисуем его, снова есть камень,
возможно, тот же самый. А здесь есть сила в 5 ньютонов,
направленная вниз, -- сила тяжести,
как и в остальных сценариях. Есть нормальная сила, камень
поддерживается землёй - 5 ньютонов в направлении
вверх. И этот человек может толкать
камень немного сильнее.
Он толкает камень чуть сильнее,
действительно старается. И теперь он толкает камень
с силой в 3 ньютона вправо.
А сила трения по-прежнему равна 2 ньютонам и направлена
влево, вот здесь она изображена.
Теперь давайте рассмотрим ещё пару сценариев.
Представим, что это земля.
И есть камень, но он не покоится на земле.
И единственная сила, которая действует теперь –
это сила тяжести, направленная вниз.
Мы не будем подробно обсуждать.. Хотя вообще-то,
давайте разберем подробнее.. Сила тяжести в 5 ньютонов,
направленная вниз. Кроме того, есть и сопротивление
воздуха, которое можно рассматривать
как силу трения. Давайте допустим, что она
равна 1 ньютону и направлена вверх.
1 ньютон вверх - сила трения, или сопротивление воздуха,
так как камень «врезается» во все частицы
воздуха, пока падает на землю.
Затем я нарисую последний сценарий -
снова камень, как мы уже привыкли. Последний
сценарий, и вот это земля.
Камень покоится на земле. Камень будет зелёным,
или коричневым. Он лежит на земле.
Есть сила тяжести, равная 5 ньютонам, направленная
вниз, по направлению к центру
Земли. Камень поддерживается
землёй, 5 ньютонов вверх.
И теперь человечек толкает камень очень сильно,
очень старается его сдвинуть, прилагая силу, скажем, в
4 ньютона в этом направлении. Есть 2 ньютона силы трения.
Пока не буду это рисовать. Также есть другой человечек,
вот здесь, который старается помешать
первому сдвинуть камень, толкая камень в противоположном
направлении с силой 1 ньютон. И вот есть 2 ньютона силы
трения, есть второй человечек,
толкающий камень с силой 1 ньютон влево,
против первого человечка. Если сложить силу второго
человечка и силу трения, получается 3 ньютона в этом
направлении. Сейчас подумайте, какой
из сценариев имеет неуравновешенную
силу? Или, если думать иначе,
в каком из них есть результирующая сила?
Давайте посмотрим на первый сценарий.
5 ньютонов силы тяжести, сила действует по направлению
к центру Земли. Есть ещё 5 ньютонов нормальной
силы, поддерживающей камень. Две силы имеют одинаковую
модульную величину и противоположно направлены,
поэтому они сокращаются, полностью уравновешивают
друг друга. Здесь результирующая равна
0. И в горизонтальном измерении
нет сил, как в других сценариях.
Итак, результирующая равна 0.
Силы уравновешиваются. Получается, мы не можем
считать, что в этом сценарии есть уравновешенная сила.
Перейдём ко второй схеме. Есть эти же 5 и 5 ньютонов,
уравновешивающие друг друга.
И ещё в горизонтальном направлении:
человечек толкает камень вправо с силой 2 ньютона,
и это также полностью уравновешивается силой трения
в 2 ньютона, направленной влево.
Так как силы уравновешивают друг друга, не
будет результирующей, и камень вообще не будет
ускоряться. Итак, в этом сценарии опять
же все силы уравновешивают друг друга,
и нет неуравновешенной или результирующей силы.
На этой схеме, в вертикальном измерении силы
опять же уравновешиваются. Нормальная сила на этой
схеме уравновешивает силу тяжести,
и камень не ускоряется, не падает
в центр Земли. И есть две силы, взаимодействующие
в горизонтальном измерении. Этот человечек толкает
с силой, равной 3 ньютонам. Но теперь сила трения равна
2 ньютонам и направлена влево.
Поэтому есть результирующая сила, направленная вправо.
3 ньютона вправо, 2 ньютона влево,
и получается результирующая сила в 1 ньютон вправо.
1 ньютон вправо, как можно видеть на изображённом
мной векторе. Итак, есть результирующая
сила. Можно себе представить
и по-другому: это сценарий, где есть неуравновешенные
силы в горизонтальном измерении.
Теперь давайте посмотрим ещё на эту схему.
Есть только силы, как я их
изобразил, действующие на вертикальном измерении.
Сила тяжести – 5 ньютонов вниз.
Есть также противодействующая сила сопротивления воздуха,
1 ньютон вверх. Но силы друг друга не уравновешивают
полностью. Остаётся результирующая
сила в 4 ньютона вниз. Тогда это случай, где есть
неуравновешенная сила. Затем, наконец, здесь камень
находится на поверхности Земли.
Друг друга уравновешивают нормальная сила и сила
тяжести. Но в горизонтальном измерении
вот этот человечек толкает камень вправо,
сильнее, 4 ньютона, больше, чем
прилагается в противоположную сторону:
3 ньютона другого человечка и сила трения.
Так что в этом случае есть результирующая сила,
действующая вправо. Опять же, сила в 1 ньютон
вправо, результирующая сила в 1
ньютон. И это сценарий, в котором
есть результирующая сила.