ТРАНСЛАЦИОННО РАВНОВЕСИЕ: ОПРЕДЕЛЯНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В транслационна равновесие е състояние, при което даден обект като цяло е когато всички сили, действащи върху тях се компенсира, като в резултат нетна сила нула. Математически е еквивалентно да кажем, че F ₁ + F ₂ + F ₃ +…. = 0, където F ₁, F ₂, F ₃… са участващите сили.

Това, че едно тяло е в транслационно равновесие, не означава, че то непременно е в покой. Това е частен случай на определението, дадено по-горе. Обектът може да е в движение, но при липса на ускорение това ще бъде равномерно праволинейно движение.

Фигура 1. Транслационният баланс е важен за голям брой спортове. Източник: Pixabay

Така че, ако тялото е в покой, то продължава така. И ако вече има движение, ще има постоянна скорост. По принцип движението на всеки обект е композиция от преводи и завъртания. Преводите могат да бъдат както е показано на фигура 2: линейни или криволинейни.

Но ако една от точките на обекта е фиксирана, единственият шанс, който трябва да се премести, е да се завърти. Пример за това е CD, чийто център е фиксиран. CD има възможност да се върти около ос, която минава през тази точка, но не и да превежда.

Когато обектите имат фиксирани точки или са поддържани на повърхности, говорим за връзки. Връзките взаимодействат чрез ограничаване на движенията, които обектът е в състояние да направи.

Определяне на транслационното равновесие

За равновесна частица е валидно да се гарантира, че:

F _R = 0

Или в обобщение:

Ясно е, че за да може едно тяло да бъде в транслационно равновесие, силите, действащи върху него, трябва да бъдат компенсирани по някакъв начин, така че резултатът от тях да е нулев.

По този начин обектът няма да изпита ускорение и всички негови частици са в покой или преминават праволинейни преводи с постоянна скорост.

Сега, ако обектите могат да се въртят, те обикновено ще. Ето защо повечето движения се състоят от комбинации от превод и завъртане.

Въртене на обект

Когато въртящият баланс е важен, може да е необходимо да се гарантира, че обектът не се върти. Затова трябва да изучавате дали има въртящи моменти или моменти, действащи върху него.

Въртящият момент е векторната величина, от която зависи въртенето. Тя изисква сила, която трябва да бъде приложена, но точката на прилагане на силата също е важна. За да изясните идеята, помислете за разширен обект, върху който действа сила F и нека да видим дали тя е в състояние да произведе въртене около някаква ос O.

Вече е интуитивно, че чрез натискане на обекта в точка P със силата F е възможно да се накара да се върти около точка O, с въртене обратно на часовниковата стрелка. Но посоката, в която се прилага силата, също е важна. Например силата, приложена към фигурата в средата, няма да накара обекта да се върти, въпреки че със сигурност може да го движи.

Фигура 2. Различни начини за прилагане на сила върху голям обект, само на фигурата в крайната лява част се получава ефект на въртене. Източник: самостоятелно направен.

Прилагането на сила директно към точка O също няма да обърне обекта. Така че е ясно, че за да се постигне въртящ ефект, силата трябва да се прилага на определено разстояние от оста на въртене и нейната линия на действие не трябва да преминава през тази ос.

Определение на въртящия момент

Въртящият момент или моментът на сила, обозначен като τ, векторната величина, отговорен за обединяването на всички тези факти, се определя като:

Вектор r е насочен от оста на въртене към точката на прилагане на силата и участието на ъгъла между r и F е важно. Следователно величината на въртящия момент се изразява като:

Най-ефективният въртящ момент се получава, когато r и F са перпендикулярни.

Сега, ако е желателно да няма въртене или те да се извършват с постоянно ъглово ускорение, е необходимо сумата на въртящите моменти, действащи върху обекта, да е нула, аналогично на това, което се счита за силите:

Условия на равновесие

Балансът означава стабилност, хармония и баланс. За да има движението на даден обект тези характеристики, трябва да се прилагат условията, описани в предишните раздели:

1) F ₁ + F ₂ + F ₃ +…. = 0

2) τ ₁ + τ ₂ + τ ₃ +…. = 0

Първото условие гарантира транслационно равновесие, а второто - ротационно равновесие. И двете трябва да бъдат изпълнени, ако обектът трябва да остане в статично равновесие (отсъствие на всякакъв вид движение).

Приложения

Условията на равновесие са приложими за много структури, тъй като когато се изграждат сгради или различни обекти, това се прави с намерението частите им да останат в еднакви относителни позиции помежду си. С други думи, обектът не се разпада.

Това е важно например при изграждане на мостове, които остават твърди под краката, или при проектиране на обитаеми конструкции, които не променят положението си или имат склонност към преобръщане.

Въпреки че се смята, че равномерното праволинейно движение е изключително опростяване на движението, което рядко се среща в природата, трябва да се помни, че скоростта на светлината във вакуум е постоянна, а скоростта на звука във въздуха също, ако считайте средата за хомогенна.

В много мобилни конструкции, създадени от човека, е важно да се поддържа постоянна скорост: например на ескалатори и монтажни линии.

Примери

Това е класическото упражнение на напрежението, което държи лампата в баланс. Известно е, че лампата тежи 15 кг. Намерете величините на напреженията, необходими за задържането му в това положение.

Фигура 3. Равновесието на лампата е гарантирано чрез прилагане на условието на транслационно равновесие. Източник: самостоятелно направен.

Решение

За да го разрешим, се фокусираме върху възела, където се срещат трите струни. Съответните диаграми на свободното тяло за възела и за лампата са показани на фигурата по-горе.

Теглото на лампата е W = 5 Kg. 9,8 m / s ² = 49 N. За да бъде лампата в равновесие, е достатъчно, че първото условие за равновесие е изпълнено:

Напреженията Т ₁ и Т ₂ трябва да се разлагат:

Това е система от две уравнения с две неизвестни, чийто отговор е: T ₁ = 24,5 N и T ₂ = 42,4 N.

Препратки

1. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън. 76 - 90.
2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Физика за наука и инженерство. Том 1. 7 ^ма. Ed. Cengage Learning. 120-124.
3. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основи на физиката. 9 ^на Ed. Cengage Learning. 99-112.
4. Tippens, P. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-мо издание. MacGraw Hill. 71 - 87.
5. Walker, J. 2010. Физика. Адисън Уесли. 332 -346.