大学物理学:OpenStax

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要約

  • は平衡の第一の条件を述べる。
  • 静的平衡を説明する。
  • 動的平衡を説明する。

平衡を達成するために必要な最初の条件は、すでに述べたものです：システム上の正味の外力はゼロでなければなりません。 方程式として表され、これは単純に

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

正味の\boldsymbol{F}がゼロの場合、任意の方向の正味の外力はゼロであることに注意してください。 たとえば、標準的なx軸とy軸に沿った正味の外力はゼロです。 これは、

\boldsymbol{\textbf{net}F_X=0\textbf{and}F_Y=0}

図1と図2は、静的平衡（動かない）と動的平衡（一定速度）の両方に対して\boldsymbol{\textbf{net}f=0}の状況を示しています。

図では、静止した男が地面に立っています。 彼の足は離れている。 彼の手は彼の腰にあります。 左側は、正味Fがゼロに等しいとラベル付けされています。 右側には、自由体図が1つの点と2つの矢印で示されており、1つは垂直に上向きにNと表示され、もう1つは垂直に下向きにWと表示されています。
図1. この動かない人は静的な平衡にあります。 彼に作用する力はゼロまで加算されます。 この場合、両方の力は垂直です。
移動する車が表示されます。 各車輪における四つの法線ベクトルを示した。 後輪には、適用されたFとして標識された右方向の矢印が示されている。 車の前に向かって、左fとポイントとしてラベル付けされている別の矢印も示されています。 車の上部にある緑色のベクトルは、等速ベクトルを示しています。 右には自由体図が点で示されています。 ポイントから、車の重量は下方にあります。 摩擦力ベクトルfは左に向かって、加えられた力ベクトルは右に向かっています。 4つの法線ベクトルは、点の上に上向きに表示されます。
図2。 それは一定の速度で動いているので、この車は動的平衡にあります。 水平方向と垂直方向の力がありますが、任意の方向の正味の外力はゼロです。 タイヤと道路の間に加えられた力Fappは空気摩擦によってバランスされ、車の重量は通常の力によって支えられます。

しかし、システムが平衡状態にあるためには、システムの正味の外力がゼロであるだけでは十分ではありません。 氷の上に平らに横たわっているアイスホッケーの棒に力が加えられる図3と図4に示す2つの状況を考えてみましょう。 図に示されている両方の状況で正味の外力はゼロですが、一方の場合は平衡が達成されますが、他方の場合はそうではありません。 図3では、アイスホッケーの棒は動かないままです。 しかし、図4では、異なる場所に同じ力が加えられていると、スティックは加速された回転を経験します。 したがって、力が加えられる点は、平衡が達成されるかどうかを決定する別の要因であることがわかっています。 これは、次のセクションでさらに検討されます。

ホッケーの棒が示されています。 棒の中央点では、2つの赤い色の力ベクトルが、1つは右を指し、もう1つは左を指して表示されます。 二つの力の作用線は同じです。 図の上部には、正味の力Fがゼロに等しいとラベル付けされています。 右下の自由体図には、二つの水平ベクトルを持つ点が示されており、それぞれがfとラベル付けされ、点から離れる方向に向けられています。
図3。 それに適用される二つの等しいと反対の水平方向の力と氷の上に平らに横たわっているアイスホッケーの棒。 摩擦はごくわずかであり、重力は氷の支持（通常の力）によって釣り合っている。 したがって、正味F=0です。 平衡が達成され、これはこの場合の静的平衡である。
ホッケーの棒が示されています。 ホッケースティックに作用する二つの力ベクトルが示されており、一つは右を指し、もう一つは左を指している。 二つの力の作用線は異なっています。 各ベクトルはFとラベル付けされています。 スティックの上部と下部には、回転の時計回りの方向を示す2つの円形の矢印があります。 右下の自由体図には、二つの水平ベクトルを持つ点が示されており、それぞれがfとラベル付けされ、点から離れる方向に向けられています。
図4。 同じ力が他のポイントで適用され、スティックが回転します—実際には、加速された回転を経験します。 ここで、正味F=0ですが、システムは平衡状態にありません。 したがって、正味F=0は、平衡を達成するために必要ではあるが十分ではない条件である。

PHET探索:TORQUE

トルクが物体を回転させる方法を調査します。 角加速度、慣性モーメント、角運動量、トルクの関係を発見します。

画像
図5. トルク
  • 静力学は、平衡状態の力の研究です。
  • 平衡を達成するには二つの条件を満たさなければならず、これは線形または回転加速度のない運動であると定義されています。
  • 平衡を達成するために必要な最初の条件は、システム上の正味の外力がゼロでなければならず、\boldsymbol{\textbf{net}F=0}でなければならないということです。

概念的な質問

1: あなたは動的平衡にある移動体の速度について何を言うことができますか？ 身体上のすべての外力を表すために、明確に標識された矢印を使用して、そのような身体のスケッチを描きます。

2: どのような条件の下で回転体が平衡になることができますか？ 例を挙げてみましょう。

用語集

静的平衡系に作用する正味の外力とトルクがゼロである平衡状態動的平衡一定速度で動く系の正味の外力とトルクがゼロである平衡状態

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