حل سؤال قانون دوم نیوتن؛ تشخیص نیروی خالص و انتخاب معادله درست
حل سؤال قانون دوم نیوتن زمانی سریع و دقیق می‌شود که ابتدا جسم و جهت مثبت را مشخص کنید، سپس فقط نیروهای وارد بر همان جسم را روی نمودار نیرو بنویسید و از برآیند آن‌ها برابر جرم ضربدر شتاب استفاده کنید.
حل سؤال قانون دوم نیوتن؛ از کجا شروع کنیم؟
در این مبحث، تفاوت نیروی واردشده با نیروی خالص، نقش اصطکاک و کشش، انتخاب دستگاه مختصات و حل هم‌زمان چند جسم بررسی می‌شود. تمرکز اصلی بر تشخیص روش مناسب سؤال است؛ یعنی پیش از جای‌گذاری عددها مشخص شود آیا باید از یک معادله نیرو، دو معادله برای دو جسم یا رابطه شتاب مشترک استفاده کرد.
روش گام‌به‌گام
- جسم یا دستگاه مورد سؤال را جدا کنید؛ اگر دو جسم به نخ متصل‌اند، ابتدا تعیین کنید سؤال شتاب کل دستگاه را می‌خواهد یا کشش هر بخش را.
- محور مثبت را در راستای حرکت یا راستای محتمل حرکت انتخاب کنید و علامت همه نیروها را نسبت به همان محور ثابت نگه دارید.
- نمودار جسم آزاد را کامل کنید: وزن، نیروی عمودی، اصطکاک، کشش و نیروی خارجی را فقط در صورتی وارد کنید که واقعاً به جسم وارد شوند.
- در راستای عمودی، اگر شتاب عمودی صفر است، از صفر بودن برآیند عمودی نتیجه بگیرید؛ اما نیروی عمودی را خودکار برابر وزن نگیرید، چون نیروی مایل یا شتاب عمودی می‌تواند آن را تغییر دهد.
- در راستای افقی بنویسید برآیند نیروها برابر جرم ضربدر شتاب است؛ اصطکاک جنبشی را خلاف حرکت و اصطکاک ایستایی را خلاف گرایش حرکت قرار دهید.
- برای چند جسم متصل، ابتدا نیروهای داخلی مانند کشش را با جمع‌کردن معادلات حذف کنید؛ سپس برای یافتن کشش، یکی از جسم‌ها را جداگانه تحلیل کنید.
جسمی با جرم ۴ کیلوگرم روی سطح افقی زبر قرار دارد. نیروی افقی ۱۸ نیوتن به راست وارد می‌شود و اصطکاک جنبشی ۶ نیوتن به چپ است. با انتخاب راست به‌عنوان جهت مثبت، برآیند افقی ۱۲ نیوتن است؛ بنابراین شتاب جسم از رابطه ۱۲=۴a برابر ۳ متر بر مجذور ثانیه به‌دست می‌آید. اگر سؤال نیروی عمودی را نیز بخواهد و نیروی عمودی دیگری وجود نداشته باشد، N=mg است و در محاسبه افقی نقشی ندارد.
چطور این مبحث را مرور کنیم؟
پاسخ را با سه کنترل بررسی کنید: جمع علامت‌دار نیروها باید با جهت شتاب سازگار باشد؛ واحد برآیند نیرو نیوتن و واحد شتاب متر بر مجذور ثانیه باشد؛ و اگر اصطکاک حذف شود، مقدار شتاب نباید از حالت دارای اصطکاک کمتر باشد.
اشتباه رایج این است که نیروی واردشده را مستقیماً برابر ma بگیرید و نیروی مخالف مانند اصطکاک یا کشش را حذف کنید. خطای دیگر، برابر گرفتن N و mg در حضور نیروی مایل یا شتاب عمودی است. در دستگاه‌های چندجسمی نیز شمردن کشش به‌عنوان نیروی خارجی کل دستگاه، برآیند را نادرست می‌کند.
جمع‌بندی
کلید حل این سؤال‌ها رسم نمودار جسم آزاد و محاسبه برآیند علامت‌دار نیروهاست. پس از تعیین جسم، محور و نیروهای واقعی، قانون دوم نیوتن روش حل را مشخص می‌کند و از جای‌گذاری شتاب یا نیرویی که از متن سؤال به‌دست نیامده جلوگیری می‌شود.
مطالعه مطلب آموزشی مرتبط ←