iwiedza ...cała wiedza to fizyka, reszta to filatelistyka...

Nacisk

Nacisk, jest jedną z najczęściej spotykanych w naszym, codziennym świecie sił. Siły tej nie wiążemy z jakimś konkretnym oddziaływaniem, lecz z rolą jaką pełni wobec ciał.

Siła nacisku zawsze związana jest z jakąś powierzchnią.

Kierunek siły nacisku

Na rysunkach siłę nacisku rysujemy zazwyczaj w ten sposób, że jej początek styka się z powierzchnią

Siła nacisku ma jedną ważną własność:

jest prostopadła do powierzchni, na która działa.

Dlatego, jeżeli siła działająca na powierzchnię skierowana pod kątem, to jako nacisk przyjmować będziemy jedynie składową prostopadłą tej siły.

Całkowita siła oprócz nacisku może zawierać także składową styczną do powierzchni.

Jeżeli odchylenie działającej siły od pionu oznaczymy przez a , to wartość siły nacisku można obliczyć ze wzoru:

N = F .cos a

Normalna do powierzchni

W celu wyodrębnienia nacisku z siły działających na powierzchnię, dość często rysuje się pomocniczą linię, która wyznacza kierunek siły nacisku. Linia ta nazywana jest normalną do powierzchni.

Przykłady sił nacisku

Siłę nacisku oblicza się na różne sposoby w zależności od sytuacji. Podam tutaj kilka często spotykanych przypadków.

Nacisk na klocek spoczywający na poziomej powierzchni

Jeżeli jakieś ciało położymy na poziomej powierzchni, to będzie ona swoim naciskiem na to ciało, podtrzymywać je przeciwstawiając się spadaniu.

I dlatego:

Siła nacisku powierzchni na ciało zrównoważy siłę ciężkości.

Przyjrzyjmy się tej sytuacji dokładniej.

Obliczymy wartość siły nacisku przy założeniu, że ciało ma masę m.
Najpierw narysujmy powyższą sytuację schematycznie i z zastosowaniem oznaczeń
  • N - siła nacisku
  • P - siła ciężkości.

Warto zauważyć, że:
Siły nacisku i ciężkości równoważą się ponieważ działają na to samo ciało, mają takie same wartości i kierunki ale przeciwne zwroty.

Uwaga! Częsty błąd! - kiedy siły się równoważą, a kiedy nie?...

Podkreślam tu fakt, że siły "działają na to samo ciało". Niestety, dość często popełniany jest błąd mylenia siły ciężkości z siłą nacisku. Wynika on prawdopodobnie z faktu, że np. w powyższej sytuacji mamy aż dwie siły nacisku, a wartość obu jest taka sama jak wartość siły ciężkości.

Oto przykład sytuacji, w której mają równe wartości i przeciwne zwroty, lecz nie równoważą się:

  • Nacisk powierzchni na ciało - podtrzymujący to ciało przed upadkiem (skierowany do góry)
  • Nacisk ciała na powierzchnię pod nią - przyciskający ją (skierowany w dół)

Ale, ponieważ siły te działają na różne ciała , więc nie mogą się równoważyć się i nie można ich ze sobą sumować, ani odejmować od siebie.

Powróćmy jednak do sił działających na nasze ciało - mamy ich w tej sytuacji dwie:
  • siłę ciężkości ciągnącą ciało w dół
  • siłę nacisku podtrzymującą ciało przed upadkiem

Siły te równoważą się, dzięki czemu klocek nie spada, ani nie wznosi się do góry. Wartości tych sił są równe:

Jeśli oznaczymy: N - wartość siły nacisku, a P - wartości siły ciężkości.
To z faktu, że P = m.g, wyniknie nam także:
N = m.g

Uwaga końcowa:

Powyższe rozważania odnoszą się nie tylko do klocka spoczywającego na poziomej powierzchni, ale także do sunącego po niej bez tarcia (gdyby było tarcie, na rysunku pojawiłaby się jeszcze jedna siła).

Przykład 2 - dwa klocki umieszczone jeden na drugim

Postawienie problemu

Ciekawym przypadkiem dobrze obrazującym czym zjawisku nacisku, jest problem dwóch klocków, umieszczonych na poziomej powierzchni jeden na drugim.

Załóżmy, że
  • górny klocek (oznaczmy go numerem 1) ma masę m1
  • klocek dolny (numer 2) masę m2.

Obliczymy wszystkie siły działające na każde z trzech ciał - obydwa klocki i powierzchnię pod nimi.

Klocek 1

Najpierw weźmiemy się za górny klocek - tutaj sytuacja jest identyczna jak w problemie rozważanym poprzednio. Dlatego już bez zbytnich dywagacji napiszemy:

Na klocek 1 działają dwie siły:

  • Siła ciężkości o wartości
    P    1 = m1 .g skierowana w dół
  • Siła nacisku od klocka dolnego. Siła ta jest skierowana do góry i musi zrównoważyć ciężar 1. Jej wartość:
    N1 od 2 = m1 .g

Powyższe si ły się równoważą (wartości obu sił są równe), więc klocek nie porusza się.

Klocek 2

Teraz rozważymy siły działające na klocek 2 (czerwony). Działają tu trzy siły:
  1. Siła ciężkości P2 tego klocka (skierowana w dół)
  2. Siła nacisku pochodząca od klocka 1, czyli N 2od1 (skierowana w dół)
  3. Siła nacisku pochodząca od dolnej powierzchni, czyli N 2od_Pow (skierowana w górę)

Wartości tych sił są następujące:

  1. Siła ciężkości P2 = m2 .g
  2. Siła nacisku od klocka 1 (górnego) jest równa co do wartości sile, jaką klocek 2 działa na klocek 1 - wynika to z III zasady dynamiki Newtona. Można więc napisać:
    N2 od 1 = N1 od 2 = m1 .g
  3. Siła nacisku powierzchni na klocek 2 musi zrównoważyć ciężar obu znajdujących się nad nią ciał, czyli jest sumą obu tych sił ciężkości:
    N2 od_Pow = P1 + P2 = m1.g + m2 .g= (m1 + m2) .g .

Oczywiście siła nacisku od powierzchni (skierowana do góry) równoważy obie siły działające w dół. Dzięki temu powyższy klocek też pozostaje w równowadze.

N 2 od_Pow = N2 od1 + P2

Siły działające na powierzchnię

Na powierzchnię działa od góry nacisk pochodzący od klocka 2. Jego wartość jest równa ciężarowi obu klocków: 1 i 2

N Pow_od2 = P1 + P2 = m1 .g + m2 .g

Wyciągamy g przed nawias:

N Pow_od2 = (m1 + m2) .g

Wnikliwy czytelnik zapewne zauważy:

to jak to... działa tylko jedna siła? - przecież pod jej wpływem powierzchnia powinna przyspieszać w dół?...

- no cóż, słuszna uwaga. Musi więc istnieć jakaś dodatkowa, nieznana siła, która z kolei tę powierzchnię utrzymuje w równowadze. Ta ukryta siła równoważy zarówno siłę nacisku od klocka 2, jak też ciężar materiału, z którego wykonano powierzchnię. Ale tą ostatnią siłą nie będziemy już się zajmować.

Nacisk (parcie) płynu

Na powierzchnię ciał zanurzonych w płynach (cieczach, gazach) działa ze strony płynu siła nacisku zwana parciem. Jest ona oczywiście zawsze skierowana prostopadle do powierzchni, czyli:

Prawo Pascala

Wartość siły parcia nie zależy od kierunku ustawienia powierzchni

W płynach siła nacisku "rozchodzi się" we wszystkie strony i nie ma znaczenia, czy powierzchnię ustawimy pod kątem, poziomo, czy pionowo - zawsze płyn będzie naciskał na tę powierzchnię tak samo: z góry, z dołu, z boku.

Wzór na siłę parcia płynu

Jeżeli na danej głębokości w płynie panuje ciśnienie o wartości p, wtedy wartość siły parcia można obliczyć ze wzoru:

F parcia = p . S

Znaczenie symboli:

F parcia - siła parcia (w niutonach N)
p - ciśnienie płynu (w paskalach Pa)
S - pole powierzchni (w m2 )

Oczywiście, jeżeli ciśnienie w obszarze powierzchni ulega zmianom (np. mamy dużą powierzchnię, która sięga od małych do dużych głębokości) wtedy powyższy wzór na parcie nie będzie obowiązywał dla całej powierzchni, a jedynie dla jej małych fragmentów, gdzie ciśnienie nie zmienia się.

 
 

2010 iwiedza