Các bài toán cân bằng trong vật lý được xem xét trong phần tĩnh học. Một trong những lực quan trọng có trong bất kỳ hệ cơ học nào ở trạng thái cân bằng là phản lực của giá đỡ. Nó là gì và làm thế nào nó có thể được tính toán? Những câu hỏi này được trình bày chi tiết trong bài viết.
Phản ứng hỗ trợ là gì?
Mỗi chúng ta hàng ngày đi trên bề mặt trái đất hoặc trên sàn nhà, mở cửa, ngồi trên ghế, tựa vào bàn, leo lên chiếu nghỉ. Trong tất cả các trường hợp này, có một lực phản ứng của hỗ trợ, giúp bạn có thể thực hiện các hành động được liệt kê. Lực này trong vật lý được ký hiệu bằng chữ N và được gọi là pháp tuyến.
Theo định nghĩa, lực pháp tuyến N là lực mà vật hỗ trợ tác dụng lên cơ thể khi tiếp xúc vật lý với nó. Nó được gọi là bình thường vì nó hướng dọc theo pháp tuyến (vuông góc) với bề mặt.
Phản ứng hỗ trợ thông thường luôn xảy ra như một phản ứng của ngoại lực đối với một hoặcbề mặt khác. Để hiểu điều này, người ta nên nhớ định luật thứ ba của Newton, trong đó nói rằng đối với mọi hành động đều có một phản ứng. Khi cơ thể nhấn vào giá đỡ, giá đỡ sẽ tác động lên cơ thể với cùng môđun lực với cơ thể tác động lên nó.
Lý do xuất hiện lực bình thường N
Lý do này nằm ở sức mạnh của độ đàn hồi. Nếu hai vật rắn, bất kể vật liệu được làm từ vật liệu nào, tiếp xúc với nhau và hơi ép vào nhau, thì mỗi vật bắt đầu biến dạng. Tùy thuộc vào độ lớn của các lực tác dụng mà độ biến dạng thay đổi. Ví dụ, nếu một vật nặng 1 kg được đặt trên một tấm ván mỏng, trên hai giá đỡ, thì nó sẽ hơi uốn cong. Nếu tăng tải trọng này lên 10 kg thì lượng biến dạng sẽ tăng lên.
Biến dạng xuất hiện có xu hướng khôi phục lại hình dạng ban đầu của cơ thể, đồng thời tạo ra một số lực đàn hồi. Sau đó ảnh hưởng đến cơ thể và được gọi là phản ứng hỗ trợ.
Nếu bạn nhìn ở mức độ sâu hơn, lớn hơn, bạn có thể thấy rằng lực đàn hồi xuất hiện là kết quả của sự hội tụ của các lớp vỏ nguyên tử và lực đẩy tiếp theo của chúng do nguyên lý Pauli.
Cách tính lực pháp tuyến?
Ở trên đã nói rằng môđun của nó bằng với lực tạo thành hướng vuông góc với bề mặt đang xét. Điều này có nghĩa là để xác định phản lực của giá đỡ, trước tiên cần thiết lập một phương trình chuyển động, sử dụng định luật II Newton, dọc theo một đường thẳng vuông góc với bề mặt. Từphương trình này, bạn có thể tìm thấy giá trị N.
Một cách khác để xác định lực N là liên quan đến điều kiện vật lý của sự cân bằng của các mômen lực. Phương pháp này thuận tiện để sử dụng nếu hệ thống có trục quay.
Mômen của lực là một giá trị bằng tích của lực tác dụng và chiều dài của đòn bẩy so với trục quay. Trong một hệ ở trạng thái cân bằng, tổng mômen của các lực luôn bằng không. Điều kiện cuối cùng được sử dụng để tìm giá trị chưa biết N.
Lưu ý rằng nếu có một giá đỡ trong hệ (một trục quay), thì lực pháp tuyến sẽ luôn tạo ra momen bằng không. Do đó, đối với những vấn đề như vậy, phương pháp mô tả ở trên nên được áp dụng bằng cách sử dụng định luật Newton để xác định phản ứng hỗ trợ.
Không có công thức cụ thể nào để tính lực N. Nó được xác định là kết quả của việc giải các phương trình chuyển động hoặc cân bằng tương ứng cho hệ vật thể được coi là.
Dưới đây, chúng tôi đưa ra các ví dụ về cách giải quyết vấn đề, trong đó chúng tôi chỉ ra cách tính phản ứng hỗ trợ thông thường.
Vấn đề mặt phẳng nghiêng
Thanh nằm yên trên mặt phẳng nghiêng. Khối lượng của chùm là 2 kg. Mặt phẳng nghiêng với đường chân trời một góc 30o. Lực pháp tuyến N là gì?
Nhiệm vụ này không khó. Để có câu trả lời cho nó, chỉ cần xem xét tất cả các lực tác dụng dọc theo một đường vuông góc với mặt phẳng là đủ. Chỉ có hai lực như vậy: N và hình chiếu của trọng lực Fgy. Vì chúng tác động theo các hướng khác nhau nên phương trình Newton cho hệ sẽ có dạng:
ma=N - Fgy
Vì chùm tia ở trạng thái nghỉ, gia tốc bằng không nên phương trình trở thành:
N=Fgy
Hình chiếu của trọng lực lên pháp tuyến lên mặt phẳng không khó tìm. Từ việc xem xét hình học, chúng tôi thấy:
N=Fgy=mgcos (α)
Thay dữ liệu từ điều kiện, ta được: N=17 N.
Vấn đề với hai hỗ trợ
Một tấm ván mỏng được đặt trên hai giá đỡ, khối lượng của chúng không đáng kể. Ở 1/3 giá đỡ bên trái người ta đặt lên tấm ván một khối lượng 10 kg. Cần phải xác định phản ứng của các hỗ trợ.
Vì có hai hỗ trợ trong bài toán, để giải nó, bạn có thể sử dụng điều kiện cân bằng thông qua các mômen của lực. Để làm điều này, trước tiên chúng ta giả định rằng một trong những giá đỡ là trục quay. Ví dụ, bên phải. Trong trường hợp này, điều kiện cân bằng thời điểm sẽ có dạng:
N1 L - mg2/3L=0
Ở đây L là khoảng cách giữa các giá đỡ. Từ đẳng thức này suy ra rằng phản ứng của N1hỗ trợ trái bằng:
N1=2/3mg=2/3109, 81=65, 4 N.
Tương tự, chúng tôi tìm thấy phản ứng của hỗ trợ phù hợp. Phương trình thời điểm cho trường hợp này là:
mg1/3L - N2 L=0.
Từ nơi chúng tôi nhận được:
N2=1/3mg=1/3109, 81=32,7 N.
Lưu ý rằng tổng các phản ứng tìm thấy của các giá đỡ bằng với trọng lực của tải.
