Dinamika, Newton törvények, erők fajtái Newton I. törvénye: Minden test megtartja nyugalmi állapotát, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgását (állandó sebességét), amíg a környezete ezt meg nem változtatja (amíg külső hatás (erő) nem éri). (Tehetetlenség törvényének is nevezik.) Példák: Elhanyagolható súrlódású felületen csúszó tárgy sebessége nem változik (pl. jégen csúszó korong, biliárdgolyó, jégen megcsúszó jármű, légpárnás padon csúszó korong, görkorcsolyás...) Kocsin álló tárgy továbbhalad, ha a kocsi alatta lefékez. Ezért kell fogódzkodni a buszon. Tányér alól hirtelen kihúzzuk az abroszt. A tányér megtartja nyugalmi helyzetét.
A test mozgásállapotának megváltoztatásához külső hatás (erő) szükséges. Nehezebb megváltoztatni annak a testnek a mozgásállapotát, sebességét, amelynek nagyobb a tehetetlensége, nagyobb a tömege. A tehetetlenség mértéke a tömeg. jele: m (mass), SI mértékegysége: kg egyéb mértékegységek: g (gramm): 1 kg = 1000 g, t (tonna): 1 t = 1000 kg Az erőhatást az erő vektorral jellemezzük. (van nagysága és iránya) Az erő támadáspontja az a pont, ahol az erő a testet éri. Az erő hatásvonala az az egyenes, amely átmegy a támadásponton és az erőhatás irányába esik. Az erő jele: F (force), SI mértékegysége: N (Newton)
Egy test mozgásállapotának (sebességének) megváltozásához erőhatás szükséges. Tapasztalat: - Nagyobb tömegű test mozgásállapotának megváltozásához nagyobb erő szükséges. - Nagyobb sebességváltozás (gyorsulás) létrehozásához nagyobb erő szükséges. Ez másképp fogalmazva: Az az erőhatás nagyobb, amely ugyanazon a testen - ugyanannyi idő alatt nagyobb sebességváltozást hoz létre, vagy - ugyanakkora sebességváltozást rövidebb idő alatt hoz létre. Példák: Minél nagyobb tolóerőt tud kifejteni egy jármű motorja, annál nagyobb a gyorsulása. Egy kislabdát kisebb erővel is messzebbre lehet dobni, mint egy medicinlabdát. (A kislabdának kisebb a tömege.) Súlylökésnél a golyót nagyobb sebességre nagyobb erővel lehet felgyorsítani. (Akkor megy messzebbre.)
Sűrűség A különböző anyagokban a részecskék tömege különböző, és ezek a részecskék a különböző anyagokban ritkábban, vagy sűrűbben helyezkednek el. Az anyagoknak ezt a tulajdonságát úgy nevezzük, hogy az anyagok sűrűsége különböző. - Egyenlő térfogatú tárgyak közül annak nagyobb a sűrűsége, amelyiknek nagyobb a tömege. - Egyenlő tömegű tárgyak közül annak a nagyobb a sűrűsége, amelyiknek kisebb térfogata. A sűrűség a tömeg és a térfogat hányadosa: Jele: (ró, görög betű) SI mértékegysége: Egyéb mértékegység: A víz sűrűsége 1 g/cm3 = 1000 kg/m3 Azok az anyagok, amelyeknek a sűrűsége kisebb a vízénél, úsznak a víz felszínén (pl. fa, jég, műanyag), amelyeknek nagyobb, azok belesüllyednek (pl. vas, más fémek, kő, üveg,..)
Erő ellenerő Newton III. törvénye (Hatás ellenhatás törvénye) Ha egy tárgy, test erővel hat egy másik testre, akkor az ugyanakkora, ellentétes irányú erőt fejt ki az egyikre (ellenerő). A két erő azonos nagyságú, ellentétes irányú, közös hatásvonalú és az egyik az egyik tárgyra, testre, a másik a másik tárgyra, testre hat. Példák: Talajon álló tárgy (erő: a tárgy nyomja a talajt, ellenerő: a talaj tartja a tárgyat.) Rakéta-hatás: A rakétából hátrafelé kiáramló elégett üzemanyag hatására a rakéta előre felé halad. Hold vonzza a Földet, a Föld ugyanakkora erővel vonzza a Holdat. Csónakban ülve meglöknek egy másikat, akkor mindkét csónak egymással ellentétes irányba meglökődik. Ha csak az egyik húzza a másikat kötéllel, akkor is mindkettő halad a másik felé a vízben. Ágyú vagy puska a golyó kilövésekor visszalökődik.
Erők fajtái Irányuk, funkciójuk alapján: húzóerő, tolóerő, tartóerő, nyomóerő Az erőt kifejtő hatás alapján: Rugalmas erő: A rugalmas test (pl. rugó) alakváltozása (pl. rugó megnyúlása) egyenesen arányos a rugalmas erő nagyságával. Ezért lehet a rugót erőmérőnek használni. (rugós erőmérő) A rugalmas erő megpróbálja a rugalmasan megváltozott (összenyomódott, megnyúlt, megcsavarodott) tárgyat visszatéríteni eredeti alakjába. Példák rugalmas erőkre: összenyomott labda, rugós óra, rugó a kerekek felett, íj, trambulin, bungee jumping rugalmas kötele, flipper golyó kilövője, toll rugója, ugródeszka, egérfogó rugója, gumiszalag edzéshez (expander),...
Gravitációs erő A gravitációs kölcsönhatásban csak vonzóerő van, taszító erő nincs. A Földön a gravitációs mező minden testet a Föld középpontja felé vonz. Ez a gravitációs erő. Ennek hatására minden test a Föld középpontja felé gyorsul, azonos gyorsulással: ez a gravitációs gyorsulás. A gravitációs gyorsulás értéke minden testnél a Földön átlagosan 9,81 m/s2. Ez azt jelenti, hogy a Föld középpontja felé (szabadon) eső tárgy sebessége másodpercenként 9,81 m/s-al nő. A Föld felszínén levő tárgyakra ható gravitációs erő és így a gravitációs gyorsulás függ a tárgy és a Föld középpontja közti távolságtól vagyis kis mértékben különbözik az Egyenlítőnél és a sarkoknál, és függ a talajtól mért távolságtól. Kerekítve 10 m/s2 A Föld felszínén az 1 kg tömegű testre 10 N gravitációs erő hat. Más égitesteken ez az érték más. Pl. a Holdon ennek hatodrésze. A testekre ható gravitációs erő támadáspontját a test tömegközéppontjába jelöljük: Fg
Súlyerő Egy test, tárgy súlya az alátámasztást nyomó, vagy felfüggesztést húzó erő. (A test, tárgy súlya nem a testre ható erő, hanem az alátámasztásra, vagy felfüggesztésre ható erő.) Ha a test, tárgy lefelé gyorsul, akkor súlya kisebb, ha felfelé gyorsul, akkor nagyobb. (pl. liftben levő ember, zuhanó repülő) Szabadon eső tárgy súlya nulla, súlytalan állapotban van. Ha pl. egy alátámasztással (pl. mérleg) együtt esik, nem nyomja azt, vagyis pl. az alatta levő mérleg nullát mutat. Nyugalomban levő tárgy súlya egyenlő nagyságú a testre ható gravitációs erő nagyságával: 1 kg tömegnél 10 N (A képen a gravitációs erő piros, a test súlya zöld, a testet tartó erő kék.)
Több erő együttes hatása Több erő helyettesíthető egy erővel (eredő erő), amelynek a hatása megegyezik az egyes erők együttes hatásával. Közös hatásvonalú egyirányú erők eredője az erők nagyságának összege: Eredő erő: F = F1 + F2 + F3 +... Közös hatásvonalú ellentétes irányú erők eredője az erők nagyságának különbsége: Eredő erő: F = F1 F2 Két azonos hatásvonalú, azonos nagyságú, de ellentétes irányú erő kiegyenlíti egymást, eredőjük 0. Pl. álló tárgyra hat a gravitációs erő és a tartóerő (lásd kép jobbra). Ezért a tárgy nem mozdul el.
Súrlódási erő Csúszási súrlódási erő A mozgó test, tárgy és a vele érintkező felület között a mozgással ellentétes irányú fékező erő lép fel: csúszási súrlódási erő. Ennek oka: a két felület érdes felületén levő kiemelkedések és mélyedések egymásba akadnak. Nagyobb a csúszási súrlódási erő nagysága ha - nagyobb a két felületet összenyomó erő, (Vízszintes talajon vízszintesen mozgó tárgynál ez egyenlő a test súlyával.) - vagy érdesebbek az érintkező felületek. Vízszintes talajon egyenletesen mozgó testnél a húzóerő egyenlő a csúszási súrlódási erővel (a testre ható eredő erő = 0).
Példák a csúszási súrlódás csökkentésére: Zsírozás, olajozás (pl. autó motorolaj), csiszolás, jégpálya tisztítása (rolbázás), síléc vaxolás Példák a csúszási súrlódás növelésére: téli gumi, hólánc, utak homokkal vagy kaviccsal szórása, bordázott talpú bakancs hócsizma, stoplis cipő, Tapadási súrlódás Ha egy nyugalomban levő testet elmozdítani szeretnénk, a test és a vele érintkező felület között fellép a tapadási súrlódási erő. A tapadási súrlódási erő akkora, amekkora a húzóerő, csak ellentétes irányú, így a két erő eredője 0, ezért a test nem mozdul. A tapadási súrlódási erő maximuma az az érték, amikor sikerül elmozdítani a testet.
Ugyanolyan felületek között a tapadási súrlódási erő maximuma nagyobb, mint a csúszási (nehezebb valamit megmozdítani, mint csúsztatni, ha már elindult). Pl. emiatt kisebb az autó fékútja, nagyobb erő fékezi, ha a kerék forog (tapad), mintha blokkolva csúszik. Példák tapadási súrlódásra: Lépés, kerék haladása, bútor elmozdítása, dugó az üvegben, ugrásnál elrugaszkodás, kézifék, szövetszálak az összesodrás után tapadnak, nem szakad szét, kalapács feje a nyélen, szög Gördülési súrlódás Ha mozgó tárgy esetén a felületek közé kereket tesznek, a súrlódás sokkal kisebb lesz. A gördülési súrlódási együttható sokkal kisebb, mint a csúszási. Például: kerék, csapágy
Közegellenállási erő Folyadék vagy légnemű anyagban (közegben) levő tárgy mozgását a közeg részecskéi akadályozzák. Ez az akadályozó erő a közegellenállási erő. (levegő esetén légellenállási erő) A közegellenállás nagyobb, ha nagyobb - a közeg sűrűsége (pl. vízben nagyobb, mint levegőben), - a mozgó tárgy haladási irányba eső felülete, - a mozgó tárgy sebessége. - A közegellenállási erő függ a mozgó tárgy alakjától. A közegellenállási erő kisebb, ha a tárgy alakja a haladási irányában minél áramvonalasabb (csepp alakú). (Ezért tervezik a járműveket légcsatornás teremben.)
Példák a közegellenállás csökkentésére: áramvonalas alakú jármű, lehajoló síelő, kerékpáros (felület csökkentése), sima felületű úszóruha Példák a közegellenállás növelésére: leszálló repülő szárnyán fékező lapátok, vitorlás hajókon nagyobb és több vitorlavászon kifeszítése, nagyobb felületű ejtőernyő, nagyobb felületű evezőlapát csónaknál, nagyobb méretű, felületű hajócsavar Példák, amikor a súrlódás vagy a közegellenállás előnyös: járás, haladó járművek kerekeinek tapadása, fékek, sodrott fonál vagy kötél, dugó az üvegben, szögelés (a beütött szög a tapadási súrlódás miatt nem jön ki.) vitorlás, ejtőernyős, evezés Példák, amikor a súrlódás vagy a közegellenállás hátrányos: motorban a dugattyú súrlódása a hengerfallal (motorolaj csökkenti), gépek mozgó részeinek súrlódása (pl. fúrófej) járművekkel szembeni légellenállás
Forgatónyomaték Az erő a testeknek a forgását is megváltoztathatja. Az erőnek forgató hatása is van, ha az erő hatásvonala nem megy át a forgástengelyen. Az erő hatásvonalának távolsága a forgástengelytől az erő karja: erőkar jele: k, mértékegysége m (méter) Pl. Mérleghintán a két forgatóhatás ellentétes irányú. A forgatóhatás nagyságát a forgatónyomatékkal jellemezzük: Ez az erő (F) és az erőkar (k) szorzata: jele: M, mértékegysége: Nm M=F k Két forgatóhatás akkor egyenlíti ki egymást, ha a két ellentétes irányú forgatónyomaték egyenlő: M1=M2, azaz két erő esetén: F1 k1 = F2 k2
A forgatónyomaték és az egyensúly felhasználása: Mivel ugyanazt a forgató hatást (forgatónyomatékot) kisebb erővel létre lehet hozni, ha nagyobb az erőkar, ezért ez az elv felhasználható különböző eszközöknél. Ezeknél azt használják ki, hogy nagyobb erőkar esetén kisebb erővel tudunk az eszköz másik oldalán nagy erőhatást létrehozni, ha ott kisebb az erőkar. Pl. csípőfogó, harapófogó, metszőolló, körömcsipesz, talicska, emelő, csavarkulcs, villáskulcs