Значение диаграмм свободного тела

В физике мы имеем дело с гравитацией, нормальными силами, трением, сопротивлением, и список можно продолжить. Иногда мы даже имеем дело со всеми этими силами одновременно. Как мы можем отслеживать все эти разные части? Диаграммы свободного тела - это один из инструментов, который физики используют, чтобы разобраться во всех этих различных, а иногда и противоположных силах, чтобы понять, как система будет реагировать.

Значение диаграмм свободного тела

Диаграмма свободного тела позволяет нам отслеживать все силы, действующие на объект.

Диаграмма свободного тела - это тип векторной диаграммы, которая отображает объект и силы, действующие на него.

Чтобы нарисовать диаграмму свободного тела, нарисуйте стрелки, идущие от центра масс тела, чтобы показать силы, действующие на него. Размер стрелки указывает нам величину, а направление, в котором указывает стрелка, - это направление нашей силы. Это может показать нам, если наши силы несбалансированы, так что наша система ускоряется, или если у нас статическая проблема, когда у нас нулевая суммарная сила. Такая диаграмма является незаменимым инструментом для решения многих физических задач. Обратите внимание, что когда мы изначально рисуем нашу диаграмму, мы можем не знать величины сил. Обычно оценки достаточно, чтобы отслеживать, какие силы действуют на наш объект. В ходе численного вычисления значений мы можем обнаружить, что наши начальные значения силы были не совсем правильными. Объект, на который действуют силы, обычно представлен точкой или упрощенным изображением объекта. Все остальное удалено, чтобы было ясно, какой объект нас интересует.

Типы сил, обычно отображаемых на диаграмме свободного тела

Некоторые из наиболее распространенных сил, наблюдаемых на диаграмме свободного тела, - это сила тяжести, которая притягивает объект к Земле, и нормальная сила, которая отталкивает объект от точки соприкосновения. Трение и сопротивление работают против направления движения, замедляя движущийся объект. Сила натяжения работает, чтобы тянуть объекты. Центростремительная сила удерживает объект от отлета при вращательном движении и всегда указывает на центр круга вращения.

Важно понимать, какие силы должны отображаться, а какие не должны отображаться. Единственными силами, показанными на диаграмме свободного тела, являются силы, действующие на объект. Любые силы, действующие на наш объект, не должны отображаться. Например, если мы рассматриваем коробку, стоящую на полу, мы должны учитывать нормальную силу пола, давящую на нашу коробку, но не нормальную силу, с которой наша коробка давит на пол.

Здесь сила тяжести задается как нормальная сила на первом изображении - нормальная сила пола, действующая на коробку. Это правильный способ отображения диаграммы свободного тела. На втором изображении слева показано нормальная сила пола, действующая на коробку. Он также неправильно показывает нормальная сила коробки, действующая на пол. Это неверно: мы никогда не должны показывать силы, действующие на наш объект, а только силы, действующие на наш объект.

Ваша диаграмма свободного тела должна включать только один объект. Если вы хотите включить больше, вы должны нарисовать отдельную диаграмму. Вот почему это называется "свободным": мы смотрим на один изолированный объект.

Уравнения диаграмм свободного тела

Основная предпосылка диаграммы свободного тела заключается в определении всех сил. Это предполагает, что мы используем второй закон Ньютона,

Fnet=ma

Это хорошее место для начала, но есть некоторые тонкости, которые мы должны учитывать. Например, равна ли суммарная сила, действующая на наш объект, нулю? Если это так, то наши силы должны быть сбалансированы, но если нет, наши векторы сил не должны все сводиться на нет. Рассмотрение формул - хороший способ начать задачу, но не забудьте также рассмотреть лежащую в основе физику, которую описывают формулы.

Бесплатные схемы тела - Основные выводы

Диаграммы свободного тела показывают все силы, действующие на объект, четко и лаконично.
Диаграммы свободного тела показывают как величину, так и направление сил.
Вы никогда не включаете силы, которые объект передает другим объектам, только те, которые действуют на наш объект.
Для каждого объекта вы рисуете отдельную диаграмму свободного тела.
Разложение сил на их x и y компоненты часто необходимы для решения проблем.
При разделении сил на их x и y компоненты, вращающие x и y оси иногда могут уменьшить количество сил, которые нам нужны для разложения, и облегчить нашу жизнь.