Free-body diagram

Wat is een vrij lichaamsdiagram?

A Free-body diagram, Geïsoleerd lichaamsdiagram of krachten diagram, het is een schema waarbij de krachten die op een lichaam werken, worden weergegeven door pijlen.

U moet ervoor zorgen dat u in het diagram alle krachten opneemt die op het object werken, en omdat het een vectorgrootte is, is de pijl verantwoordelijk voor het aangeven van de richting en de betekenis ervan, terwijl de lengte ervan een idee geeft de module of intensiteit.

Figuur 1. a) Een verkeerslicht dat aan de steun door kabels hangt, b) Vrije lichaamsdiagram van het verkeerslicht en c) Vrij lichaamsschema in de kabelknoop. Bron: Serway, r. College natuurkunde.

In figuur 1 hebben we een voorbeeld van een vrij lichaamsdiagram dat we gaan analyseren.

De situatie is als volgt: een verkeerslicht dat in de rest van sommige kabels hangt (Afbeelding 1A). Daarop handelen twee krachten, één is degene die de aarde uitoefent, wat het gewicht is. In het diagram wordt het aangeduid als F_G en handelt verticaal naar beneden.

De andere kracht is de spanning in het verticale touw, genoemd T₃ En dat gaat verticaal omhoog, het verkeerslicht vasthouden en voorkomen dat het naar de grond gaat.

Wanneer een probleem meer dan één object heeft, is het noodzakelijk om voor elk afzonderlijk een diagram te tekenen.

De knoop tussen de hellende snaren en het touw dat het verkeerslicht vasthoudt, wordt beschouwd als een specifiek object en het vrije lichaamsdiagram is in figuur 1c. Merk op dat voor de knoop de spanning T₃ wordt gericht.

Het is belangrijk op te merken dat in het vrije lichaamsdiagram de krachten die het object op andere lichamen uitoefent, niet mogen verschijnen, maar alleen degenen die erop handelen.

Voorbeelden van gratis lichaamsdiagram

Het vrije lichaamsdiagram maakt de toepassing van de wetten van Newton mogelijk en bepalen hen de staat van beweging of de rest van het object waarop de krachten handelen. In het geval van het getoonde verkeerslampje kunnen we de waarde van de spanningen in de kabels bepalen die onderworpen zijn aan het verkeerslicht, bekend.

Kan u van dienst zijn: dode belastingen: kenmerken, berekening, voorbeelden

Zodra deze gegevens bekend zijn, worden adequate kabels geselecteerd om het verkeerslicht op te hangen en dat vervult zijn functie zonder in te storten.

Gratis lichaamsdiagrammen dienen om verschillende dagelijkse situaties te beschrijven, zoals deze:

Een persoon die een kofferbak of container bekijkt

Het is heel gebruikelijk dat mensen zware objecten zoals de container in de figuur moeten overbrengen. Hiervoor moeten ze een kracht uitoefenen F Op de container, die in dit voorbeeld horizontaal en rechts is, wat de richting van de beweging is.

Figuur 2. Een persoon oefent een kracht van grootte F uit om horizontaal een zware container te bewegen. Bron: Serway, r. College natuurkunde.

Maar dit is niet de enige kracht die op hem werkt, er is ook de normale N, uitgeoefend door het platte oppervlak van het platform met wielen. En ten slotte is het gewicht ervan: F_G, verticaal gericht.

Normaal is een kracht die ontstaat, zolang twee oppervlakken in contact zijn en altijd loodrecht op het oppervlak staat dat het uitoefent. In dit geval oefent het wielplatform een ​​normale uit op de container.

Een blok dat door een hellend vlak glijdt

Sommige bureaus hebben een enigszins hellende tabel om de noten comfortabeler te maken en te lezen. Het heeft ook A-Lapiz-slot, maar we hebben allemaal het potlood op de tafel uit de gleuf gezet en we hebben gezien hoe het op de tafel glijdt.

Wat krachten werken op het potlood?

Hetzelfde dat werkt op het blok dat wordt getoond in het volgende vrije lichaamsdiagram:

figuur 3.- Een object (blok of potlood) dat op een hellend vlak met wrijving glijdt, heeft het vrije lichaamsdiagram getoond. Bron: Giancoli, D. Fysica: principes met toepassingen.

De normale F_N Het is de kracht die het oppervlak van de tafel op het potlood of het ondersteunde blok uitoefent. In tegenstelling tot het vorige voorbeeld is het normaal niet verticaal, maar geneigd. Onthoud dat normaal de kracht is die door de tabel op het blok wordt uitgeoefend en er loodrecht op staat. Aangezien de tabel hellend is, is het normaal ook.

Het kan u van dienst zijn: Eerste evenwichtstoestand: uitleg, voorbeelden, oefeningen

Zoals altijd het gewicht F_G Het is verticaal, onverschillig van de systeem van het systeem.

En ten slotte hebben we een nieuwe krachtactiviteit, wat kinetische wrijving is F_fris Tussen de tafel en het potlood of blok. Wrijving is ook een contactkracht, maar in tegenstelling tot normaal is het een tangentiële (parallelle) kracht naar het oppervlak. Merk ook op dat het altijd gericht is in strijd met de beweging.

De Atwood -machine

De Atwood -machine is een eenvoudige machine die bestaat uit een lichte poelie en zonder wrijving in de rail, waardoor een licht en niet -uitgelegd touw passeert.

Twee massaobjecten worden aan hetzelfde opgehangen₁ en M₂. Wanneer een van de objecten stijgt, daalt de andere af, zoals weergegeven in figuur 4:

Figuur 4. De Atwood -machine en de respectieve vrije lichaamsdiagrammen van de massa die aan het touw hangen. Bron: Serway, r. College natuurkunde.

Omdat er twee objecten zijn, wordt een vrij lichaamsdiagram afzonderlijk gemaakt. Voor beide objecten zijn er slechts twee krachten: de spanning in het touw T en de respectieve gewichten.

In de figuur wordt elk gewicht direct uitgedrukt als het product van de massa door versnelling. Van zijn kant is de spanning altijd verticaal gericht langs het gespannen touw.

Oefening opgelost

Pas de wetten van Newton toe om de versnelling te bepalen waarmee de massa van de Atwood -machine in de vorige sectie wordt getoond.

Oplossing

De tweede wet van Newton stelt vast dat de som van krachten gelijk is aan het product van de massa door versnelling.

De tekenconventie in elke massa kan anders zijn, dus we zullen een positieve zin hebben die van de beweging, zoals aangegeven door de grafiek, de eerste massa stijgt en de tweede daalt af.

Het kan u van dienst zijn: oppervlakkige golven: kenmerken, typen en voorbeelden

In sommige problemen biedt de verklaring geen informatie, dan moeten de borden.

-Voor massa 1 (upload):

T - m₁g = m₁naar

-Voor massa 2 (laag):

-T + m₂g = m₂naar

Beide vergelijkingen vormen een systeem van lineaire vergelijkingen van twee onbekenden, omdat de spanning verschijnt met een ander teken in elke vergelijking, we voegen ze eenvoudigweg toe aan de term en de spanning wordt geannuleerd:

M₂G - M₁g = m₁A + M₂naar

A = M₂G - M₁G / (m₁ + M₂))

Referenties

1. Bauer, W. 2011. Fysica voor engineering en wetenschappen. Deel 1. MC Graw Hill.
2. Giancoli, D.  2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Serway, r., Vulle, c. 2011. College natuurkunde. 9na ed. Cengage leren.
4. Tipler, p. (2006) Natuurkunde voor wetenschap en technologie. 5e ed. Deel 1. Redactioneel teruggekeerd.
5. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. McGraw Hill