Hlavní obsah
Fyzika - mechanika
Kurz: Fyzika - mechanika > Kapitola 3
Lekce 4: Nakloněná rovina- Normálová síla a přítlačná síla
- Co je váha?
- Normálová síla ve výtahu
- Více k normálové síle (bota na podlaze)
- Více k normálové síle (bota na zdi)
- Co je normálová síla?
- Vyrovnané a nevyrovnané síly
- Nevyrovnané síly a pohyb
- Pomalá ponožka na Lubrikonu VI
- Normálové síly na Lubrikonu VI
- Co jsou nakloněné roviny?
- Složky sil na nakloněné rovině
- Led zrychlující po nakloněné rovině
- Síly a nakloněné roviny
- Souhrn o nakloněné rovině
- Co je tření?
- Porovnávání součinitelů klidového a smykového tření
- Příklad na klidové a smykové tření
- Třecí síla udržující hranol v klidu
- Oprava třecí síly udržující hranol v klidu
- Třecí síla udržující konstantní rychlost
Co je normálová síla?
Při vzájemném dotyku na sebe tělesa působí vzájemnými silami.
Co je to normálová síla?
Taky se ti už povedlo zahnout moc prudce a vrazit do zdi? Mně ano. Bolí to a připadám si pak hloupě. Bolest, kterou nám náraz do pevných těles způsobuje, můžeme svést na normálovou sílu. Normálová síla je síla, kterou na sebe povrchy působí, aby si zabránily v průchodu jeden druhým.
Normálová síla je kontaktní silou. Pokud se dva povrchy nedotýkají, nemohou na sebe působit normálovými silami. Například povrch stolu a krabice na sebe nemohou působit normálovými silami, pokud se vzájemně nedotýkají.
Pokud se však dva povrchy dotýkají (například krabice položená na stole), působí na sebe normálovými silami kolmými k dotýkajícím se povrchům. Vzniklá normálová síla bude právě tak akorát velká, aby zabránila oběma povrchům ve vzájemném průniku.
Slovo „normálová“ v pojmu normálová síla nemá nic společného se slovem „normální“. Znamená kolmá. Je to tím, že normálová síla, obvykle značená F, start subscript, n, end subscript nebo jen N, vždy míří kolmo k ploše, na které se tělesa dotýkají. Brání totiž pevným tělesům, aby do sebe vzájemně pronikala. Tělesa mohou působit kontaktními silami i ve směrech rovnoběžných s dotýkajícími se povrchy, ale těm silám obvykle říkáme třecí síly (protože se snaží bránit povrchům ve vzájemném klouzání).
Jak neživé povrchy „vědí“, kdy působit normálovou silou?
Většině lidí dává smysl, že člověk ví, jakou silou má působit na pytel granulí pro psy, který nesou v rukou, jako je tomu na Obrázku 3(a) níže.
Někteří lidé ale nemohou uvěřit, že neživý předmět jako je například stůl může na pytel psích granulí působit normálovou silou směrem vzhůru, jak zobrazuje Obrázek 3(b). Ti lidé si často myslí, že stůl žádnou silou nepůsobí a jenom „překáží“ pytli v pádu k zemi. Ale tak Newtonovy zákony nefungují. Kdyby na psí granule působila jen tíhová síla směrem dolů, musel by tento pytel zrychlovat směrem dolů. Stůl musí dělat víc než jenom „překážet“. Musí působit silou směrem vzhůru, aby zabránil granulím v propadnutí deskou.
Položíme-li na stůl těžší předmět, stůl musí zapůsobit větší normálovou silou. Jak pozná přesnou velikost síly, kterou má působit?
Stůl „ví“ jakou silou působit podle toho, jak je jeho povrch stlačován/ deformován. Když se pevná tělesa deformují, snaží se navrátit do své původní podoby. Čím těžší závaží, tím větší je deformace a s ní je i větší síla, která se snaží vrátit tělesu původní tvar. Tuto deformaci bychom viděli na stolku s tenkou deskou, ale i mnohem pevnější tělesa se působením síly deformují. Dokud tato síla nepřesáhne určitou hranici, bude se těleso chovat jako stlačená pružina. Umístíme-li na něj závaží, stůl se prohýbá, dokud síla snažící se mu navrátit původní podobu nevyrovná tíhu závaží. V tom okamžiku je celková síla působící na závaží nulová a ono leží na stole v klidu. K deformaci dochází rychle a bývá často příliš malá na to, abychom si jí všimli.
Obrázek 3: (a) Člověk držící pytel psích granulí musí působit směrem vzhůru silou F, start subscript, start text, r, u, k, o, u, end text, end subscript, která je stejné velikosti, ale opačného směru než váha pytle granulí W. (b) Stolek se pod pytlem granulí prohýbá jako tuhá trampolína. Pružné síly v něm narůstají až dosáhnou normálové síly N nebo F, start subscript, n, end subscript stejné velikosti a opačného směru vůči váze závaží. (Zdroj obrázku: Openstax College Physics)
Jak normálovou sílu vypočítat?
Na určení normálové síly vlastně neexistuje konkrétní vzoreček. Abychom ji vypočítali, musíme většinou použít nějaké znalosti o zrychlení ve směru kolmém k povrchům (protože předpokládáme, že sebou nepronikají). Tím pádem při určování normálové síly téměř vždy začínáme Newtonovým druhým zákonem.
- Nakreslíme silový diagram obsahující všechny síly působící na zkoumané těleso.
- Zvolíme pro Newtonův druhý zákon stejný směr jako má normálová síla (tedy kolmý k dotýkajícím se povrchům).
- Dosadíme do Newtonova druhého zákona left parenthesis, a, equals, start fraction, \Sigma, F, divided by, m, end fraction, right parenthesis zrychlení, hmotnost a síly působící v daném směru.
- Vyjádříme normálovou sílu F, start subscript, n, end subscript.
Základním předpokladem při určování normálové síly je, že dosahuje tak velké či malé hodnoty, aby zabránila povrchům ve vzájemném průniku.
Použijme tuto strategii v jednoduchém příkladu. Vezměme krabici o hmotnosti m položenou v klidu na stole podle obrázku níže.
Podle návodu získáme
0, equals, start fraction, start color #e84d39, F, start subscript, n, end subscript, end color #e84d39, minus, start color #6495ed, F, start subscript, g, end subscript, end color #6495ed, divided by, m, end fraction, start text, left parenthesis, d, o, s, a, d, ı, with, \', on top, m, e, space, s, v, i, s, l, e, with, \', on top, space, z, r, y, c, h, l, e, n, ı, with, \', on top, space, a, space, s, v, i, s, l, e, with, \', on top, space, s, ı, with, \', on top, l, y, right parenthesis, end text
V tomto jednoduchém případě krabice položené na stole je normálová síla rovna síle tíhové F, start subscript, n, end subscript, equals, m, g.
Normálová síla se nemusí vždy rovnat m, g. Zvážíme-li složitější případ, kdy povrchy nejsou vodorovné nebo působí další síly ve svislém směru, normálová síla nemusí nutně vyjít m, g. Nicméně i ve složitějším případě používáme ke zjištění normálové síly stejný postup jako výše. Možná dosadíme jiné zrychlení, nebo bude působit více sil, ale celková strategie určování normálové síly pomocí Newtonova druhého zákona zůstane stejná.
Jak vypadají řešené příklady na normálovou sílu?
Příklad 1: Normálová síla ve výtahu
Balíček kiwi žvýkaček o hmotnosti 4, comma, 5, start text, space, k, g, end text je doručován do horního patra kancelářské budovy. Krabice leží na podlaze výtahu pohybujícího se vzhůru se zrychlením a, equals, 3, comma, 0, space, start fraction, start text, m, end text, divided by, start text, s, end text, squared, end fraction. Doručovatel si na balíček položil nohu a tlačí dolů silou o velikosti 5, start text, space, N, end text.
Jakou normálovou silou působí na balíček podlaha výtahu?
Nejprve nakreslíme silový diagram znázorňující všechny síly působící na krabici (do diagramu nekreslíme zrychlení, protože zrychlení není síla. Také tu není zvláštní síla výtahu, protože normálová síla je silou, kterou na krabici působí výtah).
Všimni si, že kdybychom naivně použili F, start subscript, n, end subscript, equals, m, g, equals, 44, comma, 1, start text, space, N, end text, bylo by to nesprávně. Normálová síla zde není m, g, protože tu existuje svislé zrychlení a svislá síla navíc.
Příklad 2: Normálová síla s příčnou silou
Člověk tlačí krabici sušenek o hmotnosti 1, comma, 0, start text, space, k, g, end text po stole, na kterém nepůsobí tření, příčnou silou o velikosti F, start subscript, A, end subscript, equals, 10, start text, space, N, end text pod úhelm theta, equals, 30, start superscript, o, end superscript, jak je znázorněno na obrázku níže.
Jakou normálovou silou působí na krabici sušenek stůl?
Ač to působí jako úplně jiná úloha, použijeme stejnou strategii řešení jako předtím. Nejprve nakreslíme silový diagram sil působících na krabici.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.