Co je 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 $F_n$‍ 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).

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.

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.

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

V tomto jednoduchém případě krabice položené na stole je normálová síla rovna síle tíhové $F_n=mg$‍.

Normálová síla se nemusí vždy rovnat $mg$‍. Zvážíme-li složitější případ, kdy povrchy nejsou vodorovné nebo působí další síly ve svislém směru, normálová síla nemusí nutně vyjít $mg$‍. 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.

Balíček kiwi žvýkaček o hmotnosti $4,5\text{ kg}$‍ je doručován do horního patra kancelářské budovy. Krabice leží na podlaze výtahu pohybujícího se vzhůru se zrychlením $a=3,0{\displaystyle \frac{\text{m}}{{\text{s}}^2}}$‍. Doručovatel si na balíček položil nohu a tlačí dolů silou o velikosti $5\text{ N}$‍.

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 $F_n=mg=44,1\text{ N}$‍, bylo by to nesprávně. Normálová síla zde není $mg$‍, protože tu existuje svislé zrychlení a svislá síla navíc.

Člověk tlačí krabici sušenek o hmotnosti $1,0\text{ kg}$‍ po stole, na kterém nepůsobí tření, příčnou silou o velikosti $F_A=10\text{ N}$‍ pod úhelm $\theta ={30}^o$‍, jak je znázorněno na obrázku níže.

Ač to působí jako úplně jiná úloha, použijeme stejnou strategii řešení jako předtím. Nejprve nakreslíme silový diagram sil působících na krabici.