In der vorherigen Physikstunde behandelten wir die Themen Teilchendynamik und Rotationsdynamik . In der Teilchendynamik untersuchten wir Teilchen in Translationsbewegung ( geradlinige , kreisförmige und parabolische Bewegung ). In der Rotationsdynamik befassten wir uns mit rotierenden starren Körpern. In diesem Thema betrachteten wir Objekte im Gleichgewicht. Es gibt zwei Arten von Gleichgewicht: das statische und das dynamische Gleichgewicht. Nach dem ersten Newtonschen Gesetz befindet sich ein Objekt im statischen Gleichgewicht, wenn es ruht, und im dynamischen Gleichgewicht, wenn es sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Diskussion des statischen Gleichgewichts (ruhende Objekte).
Das Konzept des Gleichgewichts starrer Körper ist eine wichtige Grundlage und findet vielfältige Anwendung im Alltag, insbesondere im Ingenieurwesen. Das Verständnis und die Berechnung der auf einen Körper im statischen Gleichgewicht wirkenden Kräfte sind von großer Bedeutung, vor allem für technische Experten (Architekten und Ingenieure). Bei der Planung von Bauwerken, Brücken, Fahrzeugen usw. berechnen Architekten und Ingenieure sorgfältig, ob die jeweilige Struktur den einwirkenden Kräften standhält und nicht einstürzt.
Beispiel für eine Frage
1. Betrachten Sie die folgende Abbildung! Ein 1,5 kg schwerer Stab ist an einem Ende senkrecht zur Wand gelenkig befestigt, und eine Laterne hängt in einem bestimmten Abstand vom Gelenk. Die Seilspannung, die den Stab im Gleichgewicht hält, beträgt…
Diskussion
Es ist bekannt:
Masse der Ladung (m 1 ) = 2 kg
Masse des Stabes (m² ) = 1,5 kg
Erdbeschleunigung (g) = 10 m/ s²
Lastgewicht (w1) = (2)(10) = 20 Newton
Stabgewicht (w 2 ) = (1,5)(10) = 15 N
Frage: Wie groß muss die Seilspannung sein, damit sich der Stab im Gleichgewicht befindet?
Antwort:
Die Seillänge wird mithilfe des Satzes des Pythagoras berechnet:
Berechnen Sie die Seilspannung (T ):
Wählen Sie die Drehachse am Gelenk. Berücksichtigen Sie das auf den Stab wirkende Kraftmoment.
Kraftmoment 1:
τ 1 = w 2 r 2 = (15 N)(0,4 m) = -6 Nm
Das Moment der Kraft 1 bewirkt, dass sich der Stab im Uhrzeigersinn dreht, sodass das Moment der Kraft 1 ein negatives Vorzeichen hat.
Kraftmoment 2:
τ 2 = w 1 r 1 = (20 N)(0,6 m) = -12 Nm
Das Moment der Kraft 2 bewirkt, dass sich der Stab im Uhrzeigersinn dreht, sodass das Moment der Kraft 1 ein negatives Vorzeichen hat.
Kraftmoment 3:
τ 3 = T r 3 sin θ = (T)(0,8)(0,6/1) = 0,48T
Das Drehmoment der Kraft 3 bewirkt, dass sich der Stab gegen den Uhrzeigersinn dreht, sodass das Drehmoment der Kraft 3 ein positives Vorzeichen hat.
Damit das System stationär ist, muss das resultierende Kraftmoment ( Στ) = 0 sein.
Στ = 0
τ 1 + τ 2 + τ 3 = 0
– 6 – 12 + 0,48T = 0
– 18 + 0,48T = 0
0,48T = 18
T = 18/ 0,48
T = 37,5 Newton
Fragequelle:
Physikfragen für die nationale Prüfung an weiterführenden Schulen/Berufsschulen
