2.1 Voimien lait

 

Kertaamme Newtonin lait:

1. laki
Kappale on levossa tai jatkaa tasaisesta suoraviivaista liikkettä, kun kappaleeseen ei vaikuta voimia tai vaikuttavien voimien summa = 0.

2. laki

3. laki
Jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B tietyllä voimalla, niin kappale B vaikuttaa kappaleeseen A yhtä suurella vastakkaissuuntaisella voimalla.

Voimat voidaan luokitella kauko- tai kosketusvoimiin. Tuttuja kaukovoimia ovat painovoima ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Kosketusvoimista tavallisia ovat taas pinnan tukivoima, langan jännitys,väliaineen vastus ja kitka.

Esim 1 Tyttö kävelee polkua pitkin vetäen narun päässä heliumilla täytettyä ilmapalloa tyynessä säässä. Piirrä palloon vaikuttavat voimat.

Voimat ovat:
- painovoima
- Archimedeen lain mukainen noste
- ilmanvastus
- narun jännitys

Esim 2. Tanko, jonka keskelle on kiinnitetty kuorma,on tuettu seinään kitkattomasti nivelellä. Määritä tankoon vaikuttavat voimat.

Voimat ovat:
- painovoima G (sisältää kuorman ja tangon painon)
- narun jännitys T₁
- voima T₂, jolla nivel estää tankoa liikkumasta vasemmalle
- voima F, jolla nivel estää tangon vasenta päätä liukumasta alas

Esim 3. Pallo on kourussa alla olevan kuvan osoittamalla tavalla.
a) Merkitse palloon vaikuttavat voimat.

b) Jos pallon massa on 2,0 kg ja kourun kulma a = 40 ⁰, niin kuinka suuret ovat tukivoimat ?

Esim 4. Tutkimme kaltevalla tasolla olevaan kappaleeseen vaikuttavia voimia. Klikkaa Flash-objekti aktiiviseksi, jonka jälkeen voit nuoli ylös/alas näppäimillä muuttaa tason kallistuskulmaa.

<sup>Kappaleeseen vaikuttaa kolme voimaa:
- Maan vetovoima
- kaltevan tason tukivoima
- kitkavoima
Olemme lisäksi jakaneet vetovoiman tason suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin (mustat vektorit). Näillä komponenteilla voimme korvata alkuperäisen Maan vetovoiman.</sup>

^{Huomaat, että kitkavoima kasvaa aluksi kaltevuuskulman kasvaessa, mutta pienenee liikkelle lähdön hetkellä äkisti.}

^{Mitkä ovat voimayhtälöt tason suunnassa ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa? Mikä yhtälö antaa kulman, jolla kappale lähtee liikkeelle?
Entä mitkä ovat liikeyhtälöt kappleen liukuessa alaspäin?}

Esim 5.Esitämme suorakulmaisessa särmiössä pomppivaan palloon vaikuttavia voimia.

Sininen voimavektori = painovoima,
punainen voimavektori = lattiapinnan tukivoima,
violetit voimavektorit = seinien tukivoimia.
Ovatko tässä kaikki palloon vaikuttavat voimat? Pallon liikkuessa ilmanvastus ja osumishetkinä kitka hidastavat ja viimein pysäyttävät pallon. Huomaa, että aluksi lattiapinnan tukivoima on osumishetkinä selvästi painovoimaa suurempi mutta pienenee lopulta yhtäsuureksi painovoiman kanssa.