Ravnoteža sila
- Objasniti šta znači da je rezultanta sila na tijelo jednaka nuli.
- Napisati uslove ravnoteže za dvije sile i za tri sile koje se sijeku u jednoj tački.
- Objasniti ravnotežu lampe o dva užeta i knjige na stolu.
- Povezati ravnotežu sila s najavom prvog Newtonovog zakona.
1. Kada je rezultanta nula
U prethodnoj lekciji vidio si da se dvije sile mogu poništiti. Knjiga miruje na stolu, lampa visi o užetu, sanduk stoji na podlozi. U svim tim primjerima na tijelo djeluje više sila, ali se one međusobno poništavaju. Kažemo da je tijelo u ravnoteži, a rezultanta svih sila je nula.
Za dvije sile ravnoteža zahtijeva tri stvari:
- isti iznos — F₁ = F₂,
- suprotan smjer — djeluju na suprotne strane,
- ista linija djelovanja na istom tijelu — hvatišta mogu biti različita. Dvije jednake i suprotne sile na paralelnim, razmaknutim linijama mogu obrtati tijelo.
Ravnoteža ne znači da na tijelo ne djeluje nikakva sila. Lampa visi o užetu: na nju djeluje sila teže prema dolje i napetost užeta prema gore. Sile postoje, ali su njihovi iznosi jednaki i smjerovi suprotni.
2. Ravnoteža tri sile
Za tri sile čije se linije djelovanja sijeku u jednoj tački ravnoteža nastaje kada je njihov vektorski zbir nula. Grafički se to lijepo vidi na trouglu sila: ako tri sile nacrtaš u razmjeri jednu za drugom (glava prve do repa druge), one zatvaraju zatvoren trougao upravo kada je rezultanta nula.
Praktično pravilo: saberi dvije sile po pravilu paralelograma i dobij rezultantu; ravnoteža nastaje kada treća sila ima isti iznos, a suprotan smjer od te rezultante.
Za tri sile koje se sijeku u jednoj tački dovoljno je provjeriti: poništavaju li se vodoravni dijelovi i nose li uspravni dijelovi cijeli teret? Za dodatno čitanje, simbolički zapis glasi: ravnoteža je kada je rezultanta svih horizontalnih dijelova nula, ali i rezultanta svih vertikalnih dijelova nula.
3. Lampa, knjiga i uže
Knjiga na stolu. Na knjigu djeluju sila teže prema dolje i sila stola prema gore. Kada su jednake i knjiga je prethodno mirovala, ona nastavlja mirovati. (Djelovanje knjige na sto i knjige na Zemlju su sile na druga tijela i zato se ne sabiraju s ovima.)
Lampa o jednom vertikalnom užetu. Sila teže lampe iznosi Fg = m·g. Uže vuče tačku vješanja lampe prema gore napetošću T. U ravnoteži je T = Fg. Za lampu mase 2 kg: Fg = 2 kg · 9,81 N/kg = 19,62 N ≈ 19,6 N, pa je i T ≈ 19,6 N.
Lampa o dva užeta. Svako uže vuče svojim smjerom. Njihove horizontalne komponente se poništavaju (uže lijevo vuče ulijevo, uže desno udesno), a vertikalne komponente zajedno nose silu teže lampe. Zato su napetosti veće kada su užeta više „raširena“: što je veći ugao između užeta, to je napetost veća.
| Položaj užeta | Napetost svakog užetalampa mase 2 kg, simetrično vješanje |
|---|---|
| dva vertikalna užeta | T = 9,81 N |
| ugao 90° među užetima | T ≈ 13,9 N |
| ugao 120° među užetima | T ≈ 19,6 N |
| dva gotovo horizontalna užeta | T mnogo veće od 19,6 N |
4. Isprobaj: lampa o dva užeta
Lampa mase 2 kg visi o dva užeta. Mijenjaj napetosti užeta i ugao. Crtež prikazuje sile u jednom trenutku; položaj lampe ostaje isti da ugao užeta odgovara računu. Ljubičasta strelica pokazuje rezultantu. Dugme Podesi ravnotežu približno podesi napetosti na jednu decimalu. Odstupanje manje od 0,1 N označeno je kao približna ravnoteža.
napetost T₁ napetost T₂ sila teže Fg rezultanta Fᵣ
Nije uravnoteženo: rezultanta iznosi približno 1,2 N. Podesi napetosti tako da se horizontalni dijelovi ponište i da vertikalni dijelovi nose silu teže od 19,62 N.
Ravnoteža ne znači obavezno mirovanje
Dva tijela na horizontalnoj podlozi bez trenja počinju na x = 0 m. Na svako tijelo djeluju sile 3 N ulijevo i 3 N udesno, duž istog pravca kroz njegovo središte. Tijelo A počinje iz mirovanja, a B se već kreće udesno. Sila teže i sila podloge međusobno se poništavaju. Ispitujemo samo translaciju, bez rotacije.
Položaji su u istom razmjeru: 1 m ↔ 40 jedinica crteža. Blijedi kružići označavaju položaje svake sekunde. Jednaki položaji tijela A se preklapaju. Strelice sila: 1 N ↔ 12 jedinica crteža; veličina tijela je šematska.
| Vrijeme | Položaj A | Položaj B |
|---|
5. Korak po korak: ravnoteža lampe o dva užeta
Zadatak: „Lampa mase 2 kg visi o dva užeta koja su simetrično postavljena pod uglom 30° prema vertikali. Kolika je napetost svakog užeta?“
6. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: ravnoteža sila duž jednog pravca i ravnoteža lampe o užad. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: ravnoteža duž jednog pravca
Primjer 1: nepoznata sila
Na tijelo djeluje sila 15 N udesno. Kolika sila treba da djeluje da bi tijelo bilo u ravnoteži?
Primjer 2: tri sile u jednom pravcu
Na tijelo djeluju 50 N udesno i 20 N ulijevo. Kolika treća sila dovodi tijelo u ravnotežu?
Primjer 3: lampa o jednom užetu
Lampa mase 2 kg visi o jednom vertikalnom užetu. Kolika je napetost užeta?
Tip 2: lampa o dva užeta
Primjer 1: dva vertikalna užeta
Lampa mase 2 kg visi o dva simetrično postavljena vertikalna užeta. Kolika je napetost svakog užeta?
Primjer 2: ugao 120° među užetima
Ista lampa visi o dva užeta koja međusobno zaklapaju ugao 120°, simetrično. Kolika je napetost svakog užeta?
Primjer 3: ugao 90° među užetima
Lampa mase 2 kg visi o dva užeta pod uglom 90°, simetrično. Kolika je napetost svakog užeta?
- „Ravnoteža znači da nema sila.“ Sile postoje, ali se poništavaju. Lampa o užetu trpi i silu teže i napetost.
- Sabiranje napetosti kao da djeluju u istom smjeru. Dvije napetosti od po 10 N ne nose 20 N tereta ako su užad koso — nosi samo njihov vertikalni dio.
- Zaboravljen uslov o pravcu. Dvije sile od 20 N na suprotnim stranama, ali na različitim paralelnim pravcima, ne drže tijelo mirno — ono se obrće. O tome govori lekcija o momentu sile.
- Miješanje sile teže i napetosti. Sila teže djeluje na lampu, a napetost na tačku vješanja lampe, pa ih crtamo na istom tijelu; ali sila kojom lampa vuče uže djeluje na uže i ne ulazi u ravnotežu lampe.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Na tijelo djeluju dvije sile istog iznosa, u suprotnim smjerovima, duž istog pravca. Šta vrijedi?
2. Lampa visi o jednom vertikalnom užetu. Kolika je napetost užeta?
3. Lampa visi o dva simetrična užeta. Kada se ugao između užeta poveća (užad se više rašire), napetost svakog užeta:
4. Lampa mase 2 kg visi o dva simetrično postavljena vertikalna užeta. Kolika je napetost svakog užeta?
7. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
Sila teže: Fg = m·g = 3 kg · 9,81 N/kg = 29,43 N ≈ 29,4 N. Kada bi užad bila vertikalna, svako bi nosilo polovinu, dakle 14,7 N. Kod kosih užeta samo dio napetosti djeluje vertikalno (za ovaj ugao vertikalni dio jednak je polovini napetosti), pa važi 2 · 0,5 · T = 29,4 N, odnosno T ≈ 29,4 N. Zato je napetost znatno veća od 14,7 N: horizontalne komponente se poništavaju, a samo vertikalne komponente podupiru lampu. Napetost se pri tome ne troši.
Provjeri u simulaciji: postavi ugao na 55°, pritisni Podesi ravnotežu i uporedi napetost sa 9,81 N koju bi imalo vertikalno uže.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: rezultanta jednaka nuli, ravnoteža dvije i tri sile, uslovi ravnoteže, primjeri lampe i knjige na stolu, najava prvog Newtonovog zakona.
Oblast B — Mehanika: međudjelovanje tijela i sila. Ishodi B.7.1 i B.7.2. Predmetni kurikulum KS, 7. razred, štampana str. 11. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.