Введение в нормальные силы | Часть 2 — Nerdstudy Physics

Подробнее о силах нормального давления. А что, если у вас есть книга, лежащая на поверхности, не параллельной земле? Как нам следует рассматривать силы нормального давления в этом случае? Давайте выясним, что сила нормального давления не обязательно противоположна силе тяжести! -- Итак, начнём с того, что такое сила нормального давления. Вот её определение. Если объект прикладывает силу к твёрдой поверхности, поверхность будет оказывать на объект силу, препятствующую его прохождению сквозь неё. Эта противодействующая сила всегда перпендикулярна поверхности и называется силой нормального давления. Итак, вот определение. Давайте рассмотрим простой пример. Предположим, мы кладём книгу на стол. Книгу тянет сила тяжести, поэтому она давит на стол. Если бы стол не сопротивлялся, книга провалилась бы. Но стол же считается твёрдой поверхностью, верно? Значит, она прикладывает силу нормального давления, которая не даёт книге провалиться сквозь стол. И направление силы нормального давления перпендикулярно столу, или, как сказали бы некоторые математики, перпендикулярно столу. Пока всё хорошо? Хорошо. Теперь вместо стола давайте положим книгу на что-нибудь другое. Давайте поставим её на пандус! А поскольку книга и пандус довольно шероховатые, книга останется на пандусе, не скользя. Теперь ситуация немного другая, не правда ли? Сила тяжести по-прежнему направлена ​​вниз, но поверхность пандуса не перпендикулярна направлению силы тяжести! И теперь мы можем задать себе вопрос. В этом случае, какая стрелка соответствует направлению силы нормального давления? Ну, ответ — вот эта стрелка, обозначенная здесь буквой C. Немного странно, не правда ли? Почему стрелка должна быть наклонной? В конце концов, книга не движется, поэтому сила тяжести, очевидно, компенсируется. Разве сила нормального давления не должна быть направлена ​​вверх, чтобы компенсировать силу тяжести? На самом деле, если вспомнить происхождение названия силы нормального давления, то мы поймём, что она перпендикулярна поверхности. Следовательно, это должна быть вот такая наклонная стрелка, поскольку сила нормального давления должна быть перпендикулярна поверхности. Но это не очень убедительное объяснение, не правда ли? Давайте посмотрим на проблему с другой точки зрения. Для начала выберем систему отсчёта. Мы можем выбрать начало координат прямо посередине книги. Что касается осей, следует ли нам выбрать стандартные оси «вверх-вниз» и «влево-вправо»? На самом деле, на этот раз мы сделаем кое-что поинтереснее. Мы выберем такой набор осей. Обратите внимание, что одна ось параллельна пандусу, а другая перпендикулярна ему. Но почему именно этот набор осей? Вот почему. Давайте посмотрим, что произойдёт, если мы будем двигать книгу вдоль оси, параллельной пандусу. Обратите внимание, что, независимо от того, где мы располагаем книгу вдоль этой оси, она никогда не движется на пандус и не движется от него? Хорошо, теперь посмотрим, что происходит вдоль другой оси. Ага, в этом направлении книга движется либо непосредственно на пандус, либо непосредственно от него. Таким образом, выбрав эту пару осей, мы можем разделить любое движение на компонент, направленный непосредственно на пандус или наружу от него, и другой компонент, полностью независимый от пандуса. Хорошо, теперь, когда мы зафиксировали эту координатную ось, давайте снова рассмотрим физическую ситуацию. Поскольку пандус сплошной, книга не может пройти сквозь него. Другими словами, она не может двигаться в этом направлении, на пандус. Мы можем перемещать книгу в любом месте в этом направлении и не беспокоиться о том, что она утонет в пандусе. Очевидно, что сила, действующая в этом направлении, будет встречать противодействие со стороны пандуса, но сила, действующая в этом направлении, не будет встречать никакого противодействия. Но если сила, действующая в этом направлении, заставляет пандус создавать силу, которая её нейтрализует, то эта компенсирующая сила должна действовать в этом направлении. И это направление перпендикулярно поверхности пандуса, или, как некоторые говорят, перпендикулярно к пандусу. Следовательно, сила нормального давления должна быть направлена ​​в этом направлении. Итак, важная идея заключается в следующем. Твёрдая поверхность, независимо от её ориентации, даже вертикальная, будет противодействовать только той составляющей силы, которая перпендикулярна поверхности. Это происходит потому, что любое движение, параллельное поверхности, не приведёт к перемещению объекта вглубь поверхности. И именно поэтому сила нормального давления является нормальной: она всегда действует перпендикулярно поверхности.