Nguvu ya msuguano

1. Ufafanuzi wa nguvu ya msuguano

Msuguano ni msuguano unaofanya kazi kati ya nyuso za vitu vinavyogusana. Katika mada hii, nguvu ya msuguano iliyosomwa inahusiana na nguvu ya msuguano inayofanya kazi kati ya nyuso mbili imara za mwili zinazogusana. Kama vile msuguano kati ya msingi wa boriti na uso wa sakafu, msuguano kati ya msingi wa kiatu na uso wa sakafu, msuguano kati ya magurudumu ya gari na uso wa barabara.

Nguvu ya msuguano hufanya kazi kila wakati kwenye uso wa vitu vigumu vinavyogusana, ingawa vitu hivyo ni laini sana. Hata nyuso laini kwa kweli ni ngumu sana kwenye mizani ya darubini. Kitu kinaposogea, matuta haya ya darubini huingilia mwendo. Katika kiwango cha atomiki, kutokeza kwenye uso husababisha atomi kuwa karibu sana na nyuso zingine, ili nguvu za umeme kati ya atomi ziweze kuunda vifungo vya kemikali, kama muungano kati ya nyuso mbili za kitu kinachosogea. Kitu kinaposogea, kwa mfano unaposukuma kitabu kwenye uso wa meza, mwendo wa kitabu hupata vikwazo na hatimaye husimama. Hii ni kutokana na uundaji na kutolewa kwa kifungo.

Ikiwa uso wa kitu unasugua uso wa kitu kingine, kila moja ya vitu hivi hufanya kazi kwa msuguano kati ya kila mmoja. Nguvu ya msuguano kwenye kitu kinachosogea huwa katika mwelekeo tofauti na mwelekeo wa mwendo wa kitu hicho. Mbali na kuzuia mwendo wa vitu, msuguano unaweza kusababisha uchakavu na uharibifu. Tunaweza kuona hili kwenye injini ya gari. Kwa mfano, tunapotoa mafuta ya kulainisha kwenye injini ya pikipiki, kwa kweli tunataka kupunguza nguvu ya msuguano inayotokea ndani ya injini. Ikiwa haitapewa mafuta ya kulainisha, injini ya gari letu huharibika haraka. Mfano huu ni mojawapo ya hasara zinazosababishwa na msuguano.

2. Aina za nguvu za msuguano

Kuna aina mbili za nguvu za msuguano, yaani nguvu ya msuguano tuli (f_s) na nguvu ya msuguano wa kinetiki (f_k). Nguvu ya msuguano tuli hufanya kazi wakati kitu hakijasogea, huku nguvu ya msuguano wa kinetiki inafanya kazi wakati kitu kinasogea. Ukisukuma meza, lakini meza haijasogea, basi nguvu ya msuguano inayofanya kazi kwenye meza ambayo imetulia ni nguvu ya msuguano tuli. Kinyume chake, wakati meza inasogea, nguvu ya msuguano inayofanya kazi kwenye meza ni msuguano wa kinetiki. Ikiwa meza inayosogea haisukumwi kila wakati, meza itasimama baada ya kusogea kwa muda. Jedwali husimama kutokana na nguvu ya msuguano wa kinetiki inayozuia mwendo wa meza.

Umewahi kuteleza unapokanyaga kitu laini? Unapoteleza, nguvu ya msuguano inayofanya kazi kati ya msingi wa kiatu au chini ya sandali yenye uso laini ni msuguano wa kinetiki. Tatizo hili ni sawa na wakati pikipiki au gari linapopita juu ya uso wa barabara wenye unyevunyevu na laini, na kusimama hadi gurudumu liteleze. Wakati magurudumu yanateleza, nguvu ya msuguano inayofanya kazi kwenye uso wa gurudumu na uso wa barabara ni nguvu ya msuguano wa kinetiki. Kinyume chake, unapotembea, nguvu ya msuguano inayofanya kazi kati ya msingi wa kiatu au chini ya sandali zenye uso wa sakafu ni nguvu ya msuguano tuli. Vile vile, wakati magurudumu hayatelezi, nguvu ya msuguano inayofanya kazi kwenye uso wa gurudumu na barabara ni msuguano tuli.

2.1 Nguvu tuli ya msuguano

Nguvu ya msuguano tuli ni nguvu ya msuguano inayofanya kazi kwenye uso wa vitu vinavyogusana wakati vitu havijasogea bado.

Mchoro 1 unaonyesha kitu ambacho bado kiko juu ya uso wa ndege tambarare. Ikiwa kitu hicho hakijasogea, basi nguvu ya msuguano tuli (fs) ni ndogo kuliko nguvu ya kuvuta (F). Ikiwa kitaendelea kuvutwa, basi kitu hicho kitasogea. Wakati kitu sahihi kitasogea, ukubwa wa nguvu ya msuguano tuli (f_s) ni sawa na ukubwa wa nguvu ya kuvuta (F).

Sheria ya Kwanza ya Newton inasema kwamba vitu ni pumziko ikiwa nguvu kamili (nguvu inayotokana) ni sifuri.

ΣF_y = 0 (Pumzika kwa kitu na usisogee katika mwelekeo wima)

N – w = 0

N = w (1.2)

Badilisha N katika mlinganyo 1.1 na N katika mlinganyo 1.2

f_s = μ_s w

f_s = μ_s mg (1.3)

fs = msuguano tuli (N), μs = mgawo wa msuguano tuli, N = nguvu ya kawaida (N), w = mvuto (N), m = uzito (kg), g = kasi ya mvuto (m/s²)

Ukitaka kubaini mgawo wa msuguano tuli, basi tumia mlinganyo 1.1 b

Σf_x = 0 (Kitu hupumzika na hakisogei katika mwelekeo mlalo)

F – f_s = 0

F = f_s (1.4)

Kitu kinapoanza kusogea, nguvu ya juu zaidi ya msuguano tuli inalingana na ukubwa wa nguvu ya kusukuma au kuvuta.

2.2 Nguvu ya msuguano wa kinetiki

Nguvu ya msuguano wa kinetiki ni nguvu ya msuguano inayofanya kazi kwenye uso wa vitu vinavyogusana wakati kitu kinaposogea.

Ukitaka kubaini mgawo wa msuguano wa kinetiki (μ_k), tumia mlinganyo 1.5 b

Mchoro 2 unaonyesha kitu kinachovutwa mara kwa mara ili kitu kisogee kwa kasi isiyobadilika. Wakati wa kusonga kwa kasi isiyobadilika, ukubwa wa nguvu ya msuguano wa kinetiki (fk) ni sawa na ukubwa wa nguvu ya kuvuta (F).

Sheria ya Kwanza ya Newton inasema kwamba kitu husogea kwa kasi isiyobadilika ikiwa nguvu yote (nguvu inayotokana) ni sifuri.

ΣF_x = 0 (vitu husogea kwa kasi isiyobadilika katika mwelekeo mlalo)

F – f_k = 0

F = f_k (1.6)

Mfano wa tatizo la 1:

Mwanafunzi anavuta boriti yenye uzito wa kilo 1 ambayo iko kwenye uso wa meza kwa kutumia dynamomita (kifaa cha kupimia nguvu). Wakati boriti itasogea, dynamomita inaonyesha nambari 2 N. Ikiwa kasi ya mvuto = 10 m/s², amua (a) ukubwa wa nguvu ya msuguano tuli (b) mgawo wa msuguano tuli

Ufumbuzi:

Inajulikana: m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m / s², w = mg = 10 N

(a) f_s

Wakati boriti itasogea, ukubwa wa nguvu ya msuguano tuli = ukubwa wa nguvu ya kuvuta (linganisha mlinganyo 1.4). Kwa hivyo, f_s = F = 2 N.

(b) μ_s

f_s = μ_s w

2 N = (μ_s(10 N)

μ_s = 2 N / 10 N = 0.2

Mfano wa tatizo la 2:

Boriti yenye uzito wa kilo 1 iliyo juu ya uso wa meza huvutwa mara kwa mara ili boriti isonge kwa kasi isiyobadilika. Boriti inaposogea kwa kasi isiyobadilika, kipima nguvu kinaonyesha nambari 1 N. Ikiwa kasi ya mvuto = 10 m/s², amua (a) ukubwa wa nguvu ya msuguano wa kinetiki (b) mgawo wa msuguano wa kinetiki

Ufumbuzi:

Inajulikana: m = kilo 1, g = 10 m/s², F = 1 N, w = mg = 10 N

(a) f_k

Wakati boriti inaposogea mara kwa mara au inaposogea kwa kasi isiyobadilika, ukubwa wa nguvu ya msuguano wa kinetiki = ukubwa wa nguvu ya kuvuta (linganisha mlinganyo 1.6).

Kwa hivyo f_k = F = 1 N

(b) μ_k

f_k = μ_k w

1 N = (μ_k(10 N)

μ_k = 1 N / 10 N = 0.1