Ravnovesne težave v fiziki so obravnavane v razdelku o statiki. Ena od pomembnih sil, ki je prisotna v katerem koli mehanskem sistemu v ravnotežju, je reakcijska sila podpore. Kaj je to in kako ga je mogoče izračunati? Ta vprašanja so podrobno opisana v članku.
Kakšna je reakcija podpore?
Vsak od nas vsak dan hodi po površini zemlje ali po tleh, odpre vrata, sedi na stolu, naslonjen na mizo, se povzpne na podest. V vseh teh primerih obstaja reakcijska sila podpore, ki omogoča izvedbo naštetih dejanj. Ta sila v fiziki je označena s črko N in se imenuje normalna.
Po definiciji je normalna sila N sila, s katero podpora deluje na telo v fizičnem stiku z njim. Imenuje se normalna, ker je usmerjena vzdolž normale (pravokotno) na površino.
Normalna podporna reakcija se vedno pojavi kot odziv zunanje sile na eno ozdruga površina. Da bi to razumeli, se moramo spomniti tretjega Newtonovega zakona, ki pravi, da za vsako dejanje obstaja reakcija. Ko telo pritisne na oporo, opora deluje na telo z enakim modulom sile kot telo na njem.
Razlog za pojav normalne sile N
Ta razlog je v moči elastičnosti. Če se dve trdni telesi, ne glede na materiale, iz katerih sta izdelani, dotakneta in rahlo pritisnita drug na drugega, se začne vsako od njih deformirati. Glede na velikost delujočih sil se deformacija spreminja. Na primer, če je utež 1 kg postavljena na tanko desko, ki je na dveh nosilcih, se bo rahlo upognila. Če se ta obremenitev poveča na 10 kg, se bo količina deformacije povečala.
Nastajajoča deformacija teži k povrnitvi prvotne oblike telesa, hkrati pa ustvarja nekaj elastične sile. Slednje vpliva na telo in se imenuje podporna reakcija.
Če pogledate na globlji, večji nivo, lahko vidite, da se elastična sila pojavi kot posledica konvergence atomskih lupin in njihovega kasnejšega odbijanja zaradi Paulijevega principa.
Kako izračunati normalno silo?
Zgoraj je bilo že rečeno, da je njen modul enak rezultujoči sili, usmerjeni pravokotno na obravnavano površino. To pomeni, da je za določitev reakcije nosilca najprej treba oblikovati enačbo gibanja z uporabo Newtonovega drugega zakona vzdolž ravne črte, ki je pravokotna na površino. Odv tej enačbi lahko najdete vrednost N.
Drug način za določitev sile N je vključitev fizičnega stanja ravnotežja momentov sil. Ta metoda je priročna za uporabo, če ima sistem rotacijske osi.
Moment sile je vrednost, ki je enaka zmnožku delujoče sile in dolžine vzvoda glede na os vrtenja. V sistemu v ravnotežju je vsota momentov sil vedno enaka nič. Zadnji pogoj se uporablja za iskanje neznane vrednosti N.
Upoštevajte, da če je v sistemu ena podpora (ena os vrtenja), bo normalna sila vedno ustvarila ničelni moment. Zato je treba za takšne težave uporabiti zgoraj opisano metodo z uporabo Newtonovega zakona za določitev podporne reakcije.
Ni posebne formule za izračun sile N. Določeno je kot rezultat reševanja ustreznih enačb gibanja oziroma ravnotežja za obravnavani sistem teles.
Spodaj podajamo primere reševanja problemov, kjer pokažemo, kako izračunati normalno reakcijo podpore.
Problem z nagnjeno ravnino
Palica miruje na nagnjeni ravnini. Masa žarka je 2 kg. Letalo je nagnjeno k obzorju pod kotom 30o. Kolikšna je normalna sila N?
Ta naloga ni težka. Da bi dobili odgovor nanj, je dovolj, da upoštevamo vse sile, ki delujejo vzdolž premice, pravokotne na ravnino. Obstajata samo dve takšni sili: N in projekcija gravitacije Fgy. Ker delujejo v različnih smereh, bo Newtonova enačba za sistem dobila obliko:
ma=N - Fgy
Ker žarek miruje, je pospešek enak nič, zato enačba postane:
N=Fgy
Projekcije sile gravitacije na normalo na ravnino ni težko najti. Iz geometrijskih premislekov ugotovimo:
N=Fgy=mgcos(α)
Če zamenjamo podatke iz pogoja, dobimo: N=17 N.
Problem z dvema podporama
Tanka deska je postavljena na dva nosilca, katerih masa je nepomembna. Na 1/3 leve podpore je bil na desko položen tovor 10 kg. Treba je določiti odzive podpor.
Ker sta v problemu dve podpori, lahko za njegovo rešitev uporabite ravnotežni pogoj skozi momente sil. Da bi to naredili, najprej predpostavimo, da je ena od podpor os vrtenja. Na primer, prav. V tem primeru bo trenutni ravnotežni pogoj naslednji:
N1L - mg2/3L=0
Tu je L razdalja med nosilcema. Iz te enakosti sledi, da je reakcija N1leva podpora enaka:
N1=2/3mg=2/3109, 81=65, 4 N.
Podobno najdemo reakcijo prave podpore. Trenutna enačba za ta primer je:
mg1/3L - N2L=0.
Od kod dobimo:
N2=1/3mg=1/3109, 81=32,7 N.
Upoštevajte, da je vsota ugotovljenih reakcij podpor enaka teži bremena.
