例子问题
例子问题1:法向力和重量
一块质量为10公斤的铁块放在与水平成30度角的斜坡上。对铁块的法向力是多少?
系统的自由体图如下所示:
物体的法向力,和是物体的重量。
自是,我们可以表示为:
如果你不明白为什么是余弦而不是正弦,考虑一下实际的系统。坡度越平坦,法向力越大。角度越小(形成一个更平坦的斜坡),余弦值就越大,随后法向力就越大。
现在我们可以简单地代入给定的值:
例子问题1:法向力和重量
一个人试图举起一个很重的东西通过施加向上的力摇动,但无法向上移动。计算需要多少额外的力才能把岩石从地面抬起来。
首先,计算作用在岩石上的引力。
施加的力是向下,意思是如果这个人至少用力,那么他或她就能把它举起来。相反,这个人只申请了.这意味着这个人需要申请用额外的力来抬升岩石。
例子问题2:法向力和重量
考虑以下系统:
如果物体在斜坡上以一个角度加速的速率,块体与边坡之间的动摩擦系数是多少?
在这种情况下,有两种力量在起作用:第一个是重力,第二个是摩擦。我们可以用牛顿第二定律来解决这个问题:
代入刚才提到的两个力:
注意,摩擦力被减去了,因为它与重力的方向相反。现在,把两个力的表达式代入,我们得到:
如果你不确定每个力是用余弦还是正弦,实际考虑一下情况。坡度越平坦,重力对物体沿平面向下移动的影响就越小,因此使用正弦函数。而且,斜率越平坦,法向力就越大,因此使用余弦函数。
从方程中消去质量,重新排列,求出摩擦系数,得到:
示例问题3:法向力和重量
考虑以下系统:
如果物体以恒定的速度滑下斜坡,动摩擦系数为,斜率的角度是多少?
在这种情况下,有两种力量在起作用。第一个是重力,第二个是摩擦。两者都取决于斜率的角度。由于物体以恒定的速度运动,我们知道重力和摩擦力在斜率方向上相互抵消,合力为零(没有加速度)。因此,我们可以写成:
将每一个力的表达式代入,我们得到:
如果你不确定每个力是用余弦还是正弦,实际考虑一下情况。坡度越平坦,重力对物体沿平面向下移动的影响就越小,因此使用正弦函数。而且,斜率越平坦,法向力就越大,因此使用余弦函数。
消去质量,求解方程一侧的角度,得到:
这是一个需要知道的重要属性!当一个物体以恒定的速度沿斜坡移动时,斜坡角度的正切等于动摩擦系数。
示例问题4:法向力和重量
考虑以下系统:
如果,使物体静止的最小静摩擦系数是多少?
在这种情况下,有两种力在起作用:摩擦力和重力。如果物体是静止的,这意味着两个力相互抵消。因此,我们可以写成:
将每一个力的表达式代入,我们得到:
如果你不确定每个力是用余弦还是正弦,实际考虑一下情况。斜率越平坦,重力对物体在平面上移动的影响就越小,因此使用了正弦函数。而且,斜率越平坦,法向力就越大,因此使用余弦函数。
示例问题5:法向力和重量
考虑以下系统:
一边等于,但物体沿斜坡向下的加速度为.如果,动摩擦系数是多少?
在这种情况下,有两种力量在起作用:重力和摩擦力。我们可以用牛顿第二定律来表示这些力:
将每一个力的表达式代入,我们得到:
如果你不确定每个力是用余弦还是正弦,实际考虑一下情况。坡度越平坦,重力对物体沿平面向下移动的影响就越小,因此使用正弦函数。而且,斜率越平坦,法向力就越大,因此使用余弦函数。
消去质量,重新排列摩擦系数,得到:
例子问题1:法向力和重量
考虑以下系统:
如果物体的法向力是斜率的角度是物体的质量是多少?
为了解决这个问题,我们需要推导出物体的法向力的表达式:
如果你不确定是用正弦还是余弦,从实际的角度考虑这个系统:系统越平坦,法向力就越大;因此使用余弦函数。
重新排列质量,我们得到:
示例问题7:法向力和重量
一个在a上的重5公斤的物体所受的法向力的大小是多少向水平方向倾斜?
如果不知道物体与地面的高度,就无法确定
回想一下,确定斜面上法向力大小的公式为:
在这里,是法向力的大小,是物体的质量,万有引力是常数吗是与水平线的夹角。
在我们的例子中:
示例问题8:法向力和重量
一个质量为10公斤的物体放在水平的桌子上。作用在物体上的法向力是多少?
法向力垂直于重力(相反方向),大小相等。因为重力等于,我们只需将给定的质量和重力相乘就可以得到答案。
示例问题9:法向力和重量
体重的人就是站在电梯里。然后电梯以……的速度向上加速.在这个加速过程中,这个人的重量是多少?
没有足够的信息来解决这个问题
人的体重不会改变,它会保持在
在这个问题中,我们看到一个场景,一个人在称重静止时向上加速。然后我们被要求确定这个人在加速过程中的新体重。
让我们开始我们的分析,首先考虑在电梯里休息的人。在这种情况下,描绘一个人和作用在他/她身上的所有力的自由体图是有用的。当静止时,没有合力作用在这个个体上。因为在y方向上没有合力,这意味着向上的力必须被向下的力完全平衡。作用在个体上的向下的力是重力,向上的力是电梯楼层作用在个体上的法向力。
换句话说:
接下来,让我们推导一个考虑电梯向上加速度的表达式。在这种情况下,有一个合力作用在这个人身上,这个向上的合力是由于电梯的加速度。就像静止时一样,在这种情况下,作用在个人身上的向下的力仍然是重力,作用在个人身上的向上的力是电梯地板的法向力。
用方程的形式,我们有:
注意,我们正在求解电梯加速时法向力的新值。法向力给出人的重量的原因是牛顿第三定律。当电梯向上加速时,电梯对人施加一个(法向)力,这个力的大小与人的体重相等,但方向相反。
最后,我们可以计算出这个人的质量:
把相关的值代入我们推导出来的上面的表达式,就能得到答案。
注意,这个值大于这个人休息时的重量。这是由于牛顿第一定律。当电梯向上加速时,人的惯性会抵制这种向上的运动,这会让人感觉更重。下次你发现电梯的时候,你可以自己试试!