Нормална сила (физика) — дефиниция, формула и примери

Нормалната сила е силата, с която земята (или която и да е друга повърхност) се изтласква обратно нагоре върху обект, който е в контакт с нея. Тази контактна сила възниква в резултат на деформация или вътрешни напрежения в повърхността и препятства проникването на обекта през нея — ако нямаше нормална сила, обектът би „потънал“ в повърхността.

Характеристики

• Посока: Винаги е перпендикулярна (под прав ъгъл) на местната допирателна към повърхността в точката на контакт.
• Модул и единици: Измерва се в нютон (N) и зависи от въздействието на други сили (напр. гравитация, външни натоварвания, ускорение на системата).
• Действие и противодействие: Според третия закон на Нютон повърхността упражнява нормална сила върху тялото, а тялото упражнява равна по големина и противоположна по посока нормална сила върху повърхността.

Формули и често срещани случаи

При прост случай на тяло с маса m, намиращо се върху хоризонтална равнина и под действие единствено на гравитацията, нормалната сила равнява на теглото на тялото: m g {\displaystyle mg} (т.е. масата, умножена по ускорението на гравитацията).

При наклонена равнина нормалната сила е компонентата на теглото, перпендикулярна на повърхността и се намалява с ъгъла θ: m g c o s θ {\displaystyle mgcos\theta } .

Обърнете внимание, че на плоска повърхност θ {\displaystyle \theta } ще бъде 0, а c o s θ {\displaystyle cos\theta } ще бъде 1. Така двете уравнения са равни (N = mg при хоризонтална плоскост без допълнителни сили).

Общи случаи с ускорение: Ако системата се ускорява (напр. асансьор, ускоряващо се превозно средство), нормалната сила се променя. При вертикално ускорение a нагоре нормалната сила е N = m(g + a); при ускорение надолу N = m(g − a). Ако N стане нула, тялото губи контакт с повърхността (издига се или „отскоква“).

Връзка с триенето

Статичното и кинетичното триене са пропорционални на нормалната сила. Обикновено се използва моделът f ≤ μN, където μ е коефициент на триене, f — силата на триене, а N — нормалната сила. Затова промените в N (например чрез увеличаване на натиска върху повърхността или чрез ускорение) пряко влияят върху величината на триенето.

Примери

• Тяло 10 kg върху хоризонтална равнина (g ≈ 9.81 m/s²): N = m g ≈ 10 · 9.81 ≈ 98 N.
• Същото тяло върху наклонена равнина под ъгъл 30°: N = m g cos30° ≈ 98 · 0.866 ≈ 84.9 N.
• Тяло в асансьор, ускоряващ нагоре с a = 2 m/s²: N = m(g + a) = 10 · (9.81 + 2) = 118.1 N.

Други бележки

• Нормалната сила не е „вид“ притегляне — това е реактивна контактна сила, възникваща в точката на контакт между обекта и повърхността.
• При криви или неправилни повърхности посоката на нормалната сила се мени от точка до точка и винаги остава перпендикулярна на местната повърхност.
• В реални материали нормалната сила зависи от деформацията и е свързана със свойства като твърдост и еластичност; за малки деформации може да се моделира чрез законите на еластичността (напр. сила на пружината при контакт).

Заключение: Нормалната сила е основна контактна сила в механиката, определя посоката и размера на силите, които позволяват телата да се поддържат върху повърхности, и има ключова роля при триене и анализ на сили в свободни тела.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява нормалната сила?

В: Какво би станало, ако нямаше нормална сила?

В: Как нормалната сила върху един обект е свързана с неговото тегло?

В: Как наклонената плоскост влияе на нормалната сила?

В: Какво представлява θ в това уравнение?

В: Кога cosθ ще бъде 1?

Търсене по буква