College Physics: OpenStax

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Sommario

  • Indicare la prima condizione di equilibrio.
  • Spiegare l’equilibrio statico.
  • Spiegare l’equilibrio dinamico.

La prima condizione necessaria per raggiungere l’equilibrio è quella già menzionata: la forza esterna netta sul sistema deve essere zero. Espresso come equazione, questo è semplicemente

\boldsymbol{\textbf{net F}=0}

Si noti che se net \ boldsymbol{F} è zero, la forza esterna netta in qualsiasi direzione è zero. Ad esempio, le forze esterne nette lungo gli assi x e y tipici sono zero. Questo è scritto come

\boldsymbol{\textbf{net }F_x=0\textbf{ e }F_y=0}

La figura 1 e la figura 2 illustrano le situazioni in cui\boldsymbol{\textbf{net }F=0}sia per l’equilibrio statico (immobile) che per l’equilibrio dinamico (velocità costante).

Nella figura, un uomo fermo è in piedi a terra. I suoi piedi sono distanti. Ha le mani alla vita. Il lato sinistro è etichettato come netto F è uguale a zero. Sul lato destro viene mostrato un diagramma del corpo libero con un punto e due frecce, una verticalmente verso l'alto etichettata come N e un'altra verticalmente verso il basso etichettata come W, dal punto.
Figura 1. Questa persona immobile è in equilibrio statico. Le forze che agiscono su di lui si sommano a zero. Entrambe le forze sono verticali in questo caso.
Viene mostrata una macchina in movimento. Sono mostrati quattro vettori normali su ogni ruota. Sulla ruota posteriore, viene mostrata una freccia verso destra etichettata come F applicata. Un'altra freccia, che è etichettato come f e punti a sinistra, verso la parte anteriore della vettura, è anche mostrato. Un vettore verde nella parte superiore della vettura mostra il vettore velocità costante. Un diagramma a corpo libero è mostrato a destra con un punto. Dal punto, il peso dell'auto è verso il basso. Il vettore della forza di attrito f è verso sinistra e il vettore della forza applicata è verso destra. Quattro vettori normali sono mostrati verso l'alto sopra il punto.
Figura 2. Questa macchina è in equilibrio dinamico perché si muove a velocità costante. Ci sono forze orizzontali e verticali, ma la forza esterna netta in qualsiasi direzione è zero. La forza applicata tra le gomme e la strada è bilanciata dall’attrito dell’aria e il peso della vettura è supportato dalle forze normali, qui mostrate uguali per tutti e quattro i pneumatici.

Tuttavia, non è sufficiente che la forza esterna netta di un sistema sia zero per un sistema in equilibrio. Considerate le due situazioni illustrate in Figura 3 e Figura 4 in cui le forze vengono applicate a un bastone da hockey su ghiaccio sdraiato sul ghiaccio. La forza esterna netta è zero in entrambe le situazioni mostrate nella figura; ma in un caso, l’equilibrio è raggiunto, mentre nell’altro, non lo è. Nella figura 3, la mazza da hockey su ghiaccio rimane immobile. Ma in Figura 4, con le stesse forze applicate in luoghi diversi, il bastone sperimenta una rotazione accelerata. Pertanto, sappiamo che il punto in cui viene applicata una forza è un altro fattore nel determinare se si raggiunge o meno l’equilibrio. Questo sarà esplorato ulteriormente nella prossima sezione.

Viene mostrato un bastone da hockey. Nel punto centrale del bastone, due vettori di forza di colore rosso sono mostrati uno che punta a destra e l'altro a sinistra. La linea di azione delle due forze è la stessa. La parte superiore della figura è etichettata come forza netta F è uguale a zero. In basso a destra viene mostrato il diagramma del corpo libero, un punto con due vettori orizzontali, ciascuno etichettato F e diretto lontano dal punto.
Figura 3. Un bastone da hockey su ghiaccio disteso sul ghiaccio con due forze orizzontali uguali e opposte applicate ad esso. L’attrito è trascurabile e la forza gravitazionale è bilanciata dal supporto del ghiaccio (una forza normale). Quindi, netto F = 0. L’equilibrio è raggiunto, che è l’equilibrio statico in questo caso.
Viene mostrato un bastone da hockey. Vengono mostrati i due vettori di forza che agiscono sulla mazza da hockey, uno che punta a destra e l'altro a sinistra. Le linee di azione delle due forze sono diverse. Ogni vettore è etichettato come F. Nella parte superiore e inferiore del bastone ci sono due frecce circolari, che mostrano la direzione in senso orario della rotazione. In basso a destra viene mostrato il diagramma del corpo libero, un punto con due vettori orizzontali, ciascuno etichettato F e diretto lontano dal punto.
Figura 4. Le stesse forze vengono applicate in altri punti e il bastone ruota—infatti, sperimenta una rotazione accelerata. Qui net F = 0 ma il sistema non è all’equilibrio. Quindi, il netto F = 0 è una condizione necessaria – ma non sufficiente-per raggiungere l’equilibrio.

ESPLORAZIONI PHET: TORQUE

Indagare come la coppia provoca la rotazione di un oggetto. Scopri le relazioni tra accelerazione angolare, momento d’inerzia,momento angolare e coppia.

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Figura 5. Coppia
  • La statica è lo studio delle forze in equilibrio.
  • Devono essere soddisfatte due condizioni per raggiungere l’equilibrio, che è definito come movimento senza accelerazione lineare o rotazionale.
  • La prima condizione necessaria per raggiungere l’equilibrio è che la forza esterna netta sul sistema deve essere zero, in modo che\boldsymbol{\textbf{net }F=0}.

Domande concettuali

1: Cosa puoi dire della velocità di un corpo in movimento che è in equilibrio dinamico? Disegna uno schizzo di un tale corpo usando frecce chiaramente etichettate per rappresentare tutte le forze esterne sul corpo.

2: In quali condizioni un corpo rotante può essere in equilibrio? Fate un esempio.

Glossario

equilibrio statico uno stato di equilibrio in cui la forza esterna netta e la coppia che agiscono su un sistema è zero equilibrio dinamico uno stato di equilibrio in cui la forza esterna netta e la coppia su un sistema in movimento con velocità costante sono zero

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