Freikörperdiagramm

Was ist ein freies Körperdiagramm?

A Freikörperdiagramm, Isoliertes Körperdiagramm oder Kräftediagramm, es ist ein Schema, in dem die auf einen Körper wirkenden Kräfte durch Pfeile dargestellt werden.

Sie müssen sicherstellen, dass Sie alle Kräfte, die auf das Objekt wirken das Modul oder die Intensität.

Abbildung 1. A) Eine Ampel, die an der Stütze durch Kabel hängt, b) Freikörperdiagramm der Ampel und c) Freikörperdiagramm im Kabelknoten. Quelle: Serway, r. College -Physik.

In Abbildung 1 haben wir ein Beispiel für ein freies Körperdiagramm, das wir analysieren werden.

Die Situation ist wie folgt: eine Ampel, die in Ruhe einiger Kabel hängt (Abbildung 1a). An ihm handeln zwei Kräfte, einer ist derjenige, den die Erde ausübt, was das Gewicht ist. Im Diagramm wird es als bezeichnet als F_G und verhält sich vertikal nach unten.

Die andere Kraft ist die Spannung im vertikalen Seil, genannt T₃ Und das geht vertikal nach oben, hält die Ampel und verhindert, dass sie zu Boden geht.

Wenn ein Problem mehr als ein Objekt hat, ist es notwendig, ein Diagramm für jeden separat zu zeichnen.

Der Knoten zwischen den geneigten Saiten und dem Seil, das die Ampel hält. Beachten Sie, dass für den Knoten die Spannung T₃ ist runter gerichtet.

Es ist wichtig zu beachten, dass im freien Körperdiagramm die Kräfte, die das Objekt auf andere Körper ausübt.

Beispiele für freies Körperdiagramm

Das freie Körperdiagramm ermöglicht die Anwendung von Newtons Gesetzen und bestimmen mit ihnen den Zustand der Bewegung oder des Restes des Objekts, auf das die Kräfte handeln. Im Falle der gezeigten Ampel können wir den Wert der Spannungen in den Kabeln bestimmen, die der Ampel unterliegen, bekannt das Gewicht davon.

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Sobald diese Daten bekannt sind.

Freie Körperdiagramme dienen dazu, verschiedene alltägliche Situationen wie diese zu beschreiben:

Eine Person, die einen Koffer oder einen Behälter beobachtet

Es ist sehr häufig, dass Menschen schwere Objekte wie den Behälter in der Figur übertragen müssen. Dafür müssen sie eine Kraft ausüben F Auf dem Behälter, der in diesem Beispiel horizontal und rechts ist, was die Richtung der Bewegung ist.

Figur 2. Eine Person übt eine Kraft von Größenordnung aus, um sich horizontal einen schweren Behälter zu bewegen. Quelle: Serway, r. College -Physik.

Dies ist jedoch nicht die einzige Kraft, die auf ihn wirkt, es gibt auch die Normalen N, trainiert von der flachen Oberfläche der Plattform mit Rädern. Und schließlich ist das Gewicht davon: F_G, vertikal gerichtet.

Normal ist eine Kraft, die entsteht, bis zwei Oberflächen in Kontakt sind und immer senkrecht zur Oberfläche sind, die sie ausübt. In diesem Fall übt die Radplattform einen normalen im Behälter aus.

Ein Block, der durch eine geneigte Ebene gleitet

Einige Schreibtische haben einen leicht geneigten Tisch, um die Notizen bequemer und lesen zu gestalten. Es hat auch einen Lapiz-Slot, aber wir haben alle den Bleistift auf den Tisch gesteckt und wir haben gesehen, wie er auf den Tisch gleitet.

Was Kräfte auf den Bleistift wirken?

Das gleiche, das auf den im folgenden freien Körperdiagramm gezeigten Block wirkt:

Figur 3.- Ein Objekt (Block oder Bleistift), das mit Reibung auf einer geneigten Ebene gleitet, hat das freie Körperdiagramm gezeigt. Quelle: Giancoli, D. Physik: Prinzipien mit Anwendungen.

Das Normale F_N Es ist die Kraft, die die Oberfläche des Tisches auf den Bleistift oder den gestützten Block ausübt. Im Gegensatz zum vorherigen Beispiel ist die Normalität nicht vertikal, sondern geneigt. Denken Sie daran, dass Normal die von der Tabelle auf dem Block ausgeübte Kraft ist und senkrecht dazu ist. Da die Tabelle geneigt ist, ist auch der Normalwert.

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Wie immer das Gewicht F_G Es ist vertikal, gleichgültig von der Systemneigung.

Und schließlich haben wir eine neue Kraftparkse, die kinetische Reibung ist F_fr Zwischen der Tabelle und dem Bleistift oder Block. Reibung ist auch eine Kontaktkraft, aber im Gegensatz zu Normal. Beachten Sie auch, dass es immer gegen die Bewegung gerichtet ist.

Die Atwood -Maschine

Die Atwood -Maschine ist eine einfache Maschine, die aus einer leichten Riemenscheibe und ohne Reibung in der Schiene besteht, durch die ein leichtes und nicht anhaltendes Seil vorbeikommt.

Zwei Massenobjekte sind vom gleichen aufgehängt₁ und M₂. Wenn eines der Objekte steigt, steigt das andere ab, wie in Abbildung 4 dargestellt:

Figur 4. Die Atwood -Maschine und die jeweiligen freien Körperdiagramme der Massen, die vom Seil hängen. Quelle: Serway, r. College -Physik.

Da es zwei Objekte gibt, wird ein freies Körperdiagramm getrennt gemacht. Für beide Objekte gibt es nur zwei Kräfte: die Spannung im Seil T und die jeweiligen Gewichte.

In der Abbildung wird jedes Gewicht direkt als Produkt der Masse durch Beschleunigung ausgedrückt. Die Spannung ist für ihren Teil immer vertikal entlang des gespannten Seils gerichtet.

Übung gelöst

Wenden Sie die Gesetze von Newton an, um die Beschleunigung zu bestimmen, mit der sich die Massen der Atwood -Maschine im vorherigen Abschnitt bewegen.

Lösung

Newtons zweites Gesetz legt fest, dass die Summe der Kräfte dem Produkt der Masse durch Beschleunigung entspricht.

Die Zeichenkonvention in jeder Masse kann unterschiedlich sein.

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Bei einigen Problemen gibt die Erklärung keine Informationen, dann müssen die Zeichen.

-Für Mass 1 (Upload):

T - m₁g = m₁Zu

-Für Masse 2 (niedrig):

-T + m₂g = m₂Zu

Beide Gleichungen bilden ein System linearer Gleichungen von zwei Unbekannten, da die Spannung mit einem anderen Anzeichen in jeder Gleichung angezeigt wird, fügen wir sie einfach zum Begriff hinzu und die Spannung wird aufgehoben:

M₂G - m₁g = m₁A + m₂Zu

a = m₂G - m₁G / (m₁ + M₂)

Verweise

1. Bauer, w. 2011. Physik für Ingenieurwesen und Wissenschaften. Band 1. Mc Graw Hill.
2. Giancoli, d.  2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. 6. Ed Prentice Hall.
3. Serway, r., Vulle, c. 2011. College -Physik. 9na ed. Cengage Lernen.
4. Tipler, p. (2006) Physik für Wissenschaft und Technologie. 5. ed. Band 1. Redaktion zurückgekehrt.
5. Tippens, p. 2011. Physik: Konzepte und Anwendungen. 7. Ausgabe. McGraw Hill