Normalna sila: definicija, formula (mg·cosθ) in primeri na nagnjeni ravnini

Normalna sila: jasna definicija, fizikalna formula mg·cosθ in praktični primeri na nagnjeni ravnini. Hitro razumevanje koncepta za študente in učitelje fizike.

Normalna sila je sila, s katero tla (ali katera koli druga površina) potiskajo nazaj navzgor. Če ne bi bilo normalne sile, bi se počasi vpijali v tla.

Normalna sila na predmet je vedno pravokotna (pod pravim kotom) na površino, na kateri je predmet.

Na ravni površini je normalna sila predmeta m g {\displaystyle mg} (teža predmeta, to je njegova masa, pomnožena s silo teže).

Na nagnjeni ravnini se normalna sila zmanjša za kot in normalna sila je m g c o s θ {\displaystyle mgcos\theta } .

Upoštevajte, da je na ravni površini θ {\displaystyle \theta } enak 0, zato je c o s θ {\displaystyle cos\theta } enak 1. Zato sta enačbi enaki.

Razlaga in izpeljava na nagnjeni ravnini

Kadar je predmet na nagnjeni ravnini, del teže deluje vzporedno z ravnino in poskuša predmet zvleči navzdol, del pa deluje pravokotno na ravnino. Če označimo maso s m in silo teže z mg, razčlenimo vektor teže na dve komponenti:

• komponenta vzporedno z ravnino: mg · sinθ (pospešuje ali zavira gibanje po površini),
• komponenta pravokotno na ravnino: mg · cosθ (točno tista, ki jo izniči normalna sila, kadar ni navpičnega pospeška).

Če ni drugih navpičnih sil in površina ni pospešena navzdol ali navzgor, potem je normalna sila enaka velikosti pravokotne komponente teže, torej m g c o s θ {\displaystyle mgcos\theta } .

Praktičen primer (številčno)

Predpostavimo predmet z maso m = 5 kg na nagnjeni ravnini s kotom θ = 30° in grav. pospeškom g = 9,81 m/s².

• Izračun teže: mg = 5 · 9,81 = 49,05 N.
• Normalna sila: N = mg · cos30° = 49,05 · 0,8660 ≈ 42,45 N.

Če želimo oceniti največjo protipremoči silo trenja (statikčna ali kinetična) uporabimo f = μN. Na primer pri μ = 0,2 je f ≈ 0,2 · 42,45 ≈ 8,49 N.

Posebni primeri in opombe

• Na ravni površini je θ = 0, zato je cosθ = 1 in to vodi do N = mg — predmet ne "tehta" manj zaradi kota.
• Če površina pospešuje navzgor ali navzdol ali če se predmet giblje z navpičnim pospeškom, potem normalna sila ni več enaka mg cosθ; upoštevati je treba tudi drugi vertikalni pospešek z Newtonovimi enačbami (N = m(g ± a) v primerih navpičnega pospeška).
• Pri ukrivljenih površinah je normalna sila odvisna od lokalne smeri površine in centripetalnega pospeška (npr. vozilo na vrhu grbine potrebuje manjšo normalno silo zaradi centrifugiranja, na dnu grbine pa večjo).
• Normalna sila ni nepotrebno nasprotna teži v vseh primerih — nasprotuje le komponenti sile, ki deluje pravokotno na površino.

Pogoste napake

• Zamenjava normalne sile s silo teže — normalna je reakcija površine, ne lastnost predmeta.
• Pozabljanje faktorja cosθ pri nagnjeni ravnini; s tem se podcenjuje ali preceni rezistenco površine oziroma trenje.
• Neupoštevanje dodatnih sil (npr. potiska, vleka ali pospeška) v navpični smeri, ki spremenijo normalno silo.

Enote in pomen

Normalna sila se meri v newtonih (N). Pomembna je pri oceni stanja mirovanja, trenja, obremenitve konstrukcij in varnosti — npr. pri načrtovanju nosilnih površin ali zavornem sistemu avtomobila, kjer spreminjanje normalne sile vpliva na oprijem koles.

Če želite, lahko dodam več primerov z različnimi koti, maso ali koeficienti trenja, ali pa prikažem, kako normalno silo vključiti v prosto telo v diagramu sil.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je normalna sila?

V: Kaj bi se zgodilo, če ne bi bilo normalne sile?

V: Kako je normalna sila na predmet povezana z njegovo težo?

V: Kako naklonjena ravnina vpliva na normalno silo?

V: Kaj pomeni θ v tej enačbi?

V: Kdaj je cosθ enak 1?

Išči po črki