Bagian fisika yang mempelajari benda diam dari sudut pandang mekanika disebut statika. Poin kunci dari statika adalah pemahaman tentang kondisi kesetimbangan benda dalam sistem dan kemampuan untuk menerapkan kondisi ini untuk memecahkan masalah praktis.
Aksi kekuatan
Penyebab rotasi, gerakan translasi, atau gerakan kompleks benda di sepanjang lintasan melengkung adalah aksi gaya luar yang tidak nol pada benda-benda ini. Dalam fisika, gaya adalah besaran yang, yang bekerja pada suatu benda, mampu memberikan percepatan, yaitu, mengubah jumlah gerak. Nilai ini telah dipelajari sejak zaman kuno, namun, hukum statika dan dinamika akhirnya terbentuk dalam teori fisika yang koheren hanya dengan munculnya zaman baru. Peran utama dalam perkembangan mekanika gerak dimainkan oleh karya Isaac Newton, yang setelah itu satuan gaya sekarang disebut Newton.
Saat mempertimbangkan kondisi keseimbangan benda dalam fisika, penting untuk mengetahui beberapa parameter gaya yang bekerja. Ini termasuk yang berikut:
- arah tindakan;
- nilai mutlak;
- titik aplikasi;
- sudut antara gaya yang dipertimbangkan dan gaya lain yang diterapkan pada sistem.
Kombinasi parameter di atas memungkinkan Anda untuk mengatakan dengan jelas apakah sistem yang diberikan akan bergerak atau diam.
Kondisi kesetimbangan pertama sistem
Kapan sistem benda tegar tidak bergerak secara progresif di ruang angkasa? Jawaban atas pertanyaan ini akan menjadi jelas jika kita mengingat hukum kedua Newton. Menurutnya, sistem tidak akan melakukan gerakan translasi jika dan hanya jika jumlah gaya luar sistem sama dengan nol. Artinya, kondisi kesetimbangan pertama untuk padatan secara matematis terlihat seperti ini:
∑i=1Fi¯=0.
Di sini n adalah jumlah gaya luar dalam sistem. Ekspresi di atas mengasumsikan penjumlahan vektor gaya.
Mari kita pertimbangkan kasus sederhana. Mari kita asumsikan bahwa dua gaya dengan besar yang sama bekerja pada tubuh, tetapi diarahkan ke arah yang berbeda. Akibatnya, salah satunya akan cenderung memberikan akselerasi ke tubuh di sepanjang arah positif dari sumbu yang dipilih secara sewenang-wenang, dan yang lain - di sepanjang yang negatif. Hasil dari tindakan mereka akan menjadi tubuh yang diam. Jumlah vektor dari kedua gaya ini akan menjadi nol. Sejujurnya, kami mencatat bahwa contoh yang dijelaskan akan menyebabkan munculnya tegangan tarik di tubuh, tetapi fakta ini tidak berlaku untuk topik artikel.
Untuk memudahkan verifikasi kondisi kesetimbangan tertulis benda, Anda dapat menggunakan representasi geometrik dari semua gaya dalam sistem. Jika vektor-vektornya diatur sedemikian rupa sehingga setiap gaya berikutnya dimulai dari ujung gaya sebelumnya,maka persamaan tertulis akan terpenuhi ketika awal gaya pertama bertepatan dengan akhir yang terakhir. Secara geometris, ini terlihat seperti loop tertutup dari vektor gaya.
Momen gaya
Sebelum melanjutkan ke deskripsi kondisi kesetimbangan berikutnya untuk benda tegar, perlu untuk memperkenalkan konsep fisik statika yang penting - momen gaya. Dalam istilah sederhana, nilai skalar momen gaya adalah produk dari modulus gaya itu sendiri dan vektor radius dari sumbu rotasi ke titik penerapan gaya. Dengan kata lain, masuk akal untuk mempertimbangkan momen gaya hanya relatif terhadap beberapa sumbu rotasi sistem. Bentuk matematika skalar dari penulisan momen gaya terlihat seperti ini:
M=Fd.
Di mana d adalah lengan gaya.
Dari ekspresi tertulis berikut bahwa jika gaya F diterapkan ke titik mana pun dari sumbu rotasi pada sudut mana pun, maka momen gayanya akan sama dengan nol.
Makna fisika dari besaran M terletak pada kemampuan gaya F untuk berbelok. Kemampuan ini meningkat seiring dengan bertambahnya jarak antara titik penerapan gaya dan sumbu rotasi.
Kondisi kesetimbangan kedua untuk sistem
Seperti yang Anda duga, kondisi kedua untuk keseimbangan benda terhubung dengan momen gaya. Pertama, kami memberikan rumus matematika yang sesuai, dan kemudian kami akan menganalisisnya secara lebih rinci. Jadi, syarat tidak adanya rotasi pada sistem ditulis sebagai berikut:
∑i=1Mi=0.
Artinya, jumlah dari semua momengaya harus nol pada setiap sumbu rotasi dalam sistem.
Momen gaya adalah besaran vektor, namun, untuk menentukan kesetimbangan rotasi, penting untuk mengetahui hanya tanda momen ini Mi. Harus diingat bahwa jika gaya cenderung berputar ke arah jam, maka itu menciptakan momen negatif. Sebaliknya, rotasi melawan arah panah menyebabkan munculnya momen positif Mi.
Cara menentukan kesetimbangan sistem
Dua kondisi untuk keseimbangan benda diberikan di atas. Jelasnya, agar tubuh tidak bergerak dan diam, kedua syarat itu harus dipenuhi secara bersamaan.
Saat memecahkan masalah keseimbangan, kita harus mempertimbangkan sistem dua persamaan tertulis. Solusi dari sistem ini akan memberikan jawaban untuk setiap masalah dalam statika.
Kadang-kadang kondisi pertama, yang mencerminkan tidak adanya gerak translasi, mungkin tidak memberikan informasi yang berguna, maka solusi masalah direduksi menjadi analisis kondisi momen.
Ketika mempertimbangkan masalah statika pada kondisi keseimbangan benda, pusat gravitasi benda memainkan peran penting, karena melaluinya sumbu rotasi lewat. Jika jumlah momen gaya relatif terhadap pusat gravitasi sama dengan nol, maka rotasi sistem tidak akan diamati.
Contoh penyelesaian masalah
Diketahui bahwa dua pemberat diletakkan di ujung papan yang tidak berbobot. Berat beban kanan dua kali lebih berat dari berat kiri. Penting untuk menentukan posisi penyangga di bawah papan, di mana sistem ini akan beradakeseimbangan.
Desain panjang papan dengan huruf l, dan jarak dari ujung kiri ke penyangga - dengan huruf x. Jelas bahwa sistem ini tidak mengalami gerak translasi, sehingga tidak perlu diterapkan kondisi pertama untuk menyelesaikan masalah.
Berat setiap beban menciptakan momen gaya relatif terhadap tumpuan, dan kedua momen memiliki tanda yang berbeda. Dalam notasi yang telah kita pilih, kondisi kesetimbangan kedua akan terlihat seperti:
P1x=P2(L-x).
Di sini P1 dan P2 masing-masing adalah bobot dari bobot kiri dan bobot kanan. Membagi dengan P1kedua bagian persamaan, dan menggunakan kondisi masalah, kita mendapatkan:
x=P2/P1(L-x)=>
x=2L - 2x=>
x=2/3L.
Agar sistem seimbang, penyangga harus ditempatkan 2/3 dari panjang papan dari ujung kirinya (1/3 dari ujung kanan).
