Eine breitere Sicht auf Kontaktkräfte

Ich bin mir bewusst, dass alle Kontaktkräfte, die wir erfahren, wie Spannung, Reibung, normale Reaktion usw., komplexe Manifestationen der fundamentalen Kräfte sind, die Gravitationskräfte, elektromagnetische Kräfte, starke und schwache Kernkräfte sind.

Nehmen wir nun an, dass ein Körper auf einen stationären Tisch gelegt wird. Wir sagen, da beobachtet wird, dass der Körper trotz der auf ihn wirkenden Gravitationskraft auch in Ruhe ist, muss eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Körper wirken, um ihn aufzuheben, und diese Kraft wird als normale Reaktion bezeichnet.

Normale Reaktion soll grundsätzlich aus elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Oberfläche und des Körpers entstehen.

Ich habe auch gelesen, dass diese elektromagnetischen Kräfte zwischen den Kontaktflächen als Kontaktkraft bekannt sind, und dort habe ich festgestellt, dass die normale Reaktion als vertikale Komponente der Kontaktkraft und Reibung als horizontale Komponente definiert ist.

Jetzt habe ich ein paar Fragen.

Erstens, was die Normalkraft ausmacht, die nur eine Kraft aufgrund zufälliger elektrischer Wechselwirkungen von Atomen ist, hat die gleiche Größe wie die Gravitationskraft. Ich könnte erklären, warum die normale Reaktion entgegengesetzt gerichtet ist, was die offensichtliche Schlussfolgerung aus ihrer Definition ist, aber wie können alle elektrischen Wechselwirkungen zwischen den Atomen so geplant werden, dass sie zu einer Kraft führen, die der Gravitationskraft entspricht. Ich konnte keinen Zusammenhang zwischen der Gravitation und den elektrischen Kräften erkennen...

Die zweite Frage, die mir einfällt, die ziemlich albern ist, aber immer noch damit zusammenhängt, ist, dass, wenn ein sehr schwerer Körper auf einem Tisch gehalten wird und der Tisch aufgrund seines Gewichts bricht, es die maximale Normalkraft ist, die der Tisch ausüben könnte war niedriger als das Gewicht des Körpers und daher brach es .

Eine weitere meiner Fragen, die ich hier zu stellen halte, da alles miteinander verbunden ist, lautet: Wenn ein Körper auf dem Boden eines Aufzugs gehalten wird und eine leichte Kraft auf den Körper einwirkt, ist er nicht groß genug, um den Körper zu bewegen (aufgrund von Reibung), und der Auftrieb beginnt nach unten zu beschleunigen, wobei die Kraft immer noch auf den Körper wirkt, dann nimmt die normale Reaktion zu und die Kontaktkraft bleibt gleich (vorausgesetzt, weil die Oberfläche gleich ist). wird sich die Reibung, die zwischen dem Körper und dem Aufzugsboden wirkt, ebenfalls ändern.

Aber ich habe wieder das Gefühl, dass sich die Kontaktkraft auch in diesem Fall ändern sollte, aber ich kann keinen Grund finden, warum sie sich ändern würde. Ich fühle das, weil es nicht möglich ist, dass sich eine Komponente ändert und die resultierende nicht . Ich bin mir nicht sicher, wie sich die Reibung ändern würde.

Bitte helfen Sie mir bei all dem. Sie beantworten vielleicht nicht alle meine Fragen, aber geben Sie mir nur eine Anleitung, wie ich darüber denken soll. Der Grund für diese Frage ist meiner Meinung nach, dass Kontaktkräfte und ihre Verbindung mit Nicht-Kontaktkräften nicht sehr klar diskutiert werden, fast überall wo ich bin. habe darüber gelesen.

Normalkraft ist nicht unbedingt vertikal. Es ist normal (senkrecht) zur Oberfläche. Reibung ist parallel zur Oberfläche. Auf einer geneigten Ebene sind diese Richtungen nicht horizontal und vertikal.
Im ersten Satz Ihrer Frage nehmen Sie die Zentripetalkraft in eine Liste mit Reibung, Spannung und Normalkraft auf. Dies lässt den Anschein erwecken, dass eine bestimmte Kraft entweder eine Zentripetalkraft oder eine dieser anderen ist, obwohl eine Zentripetalkraft tatsächlich nur eine Kraft ist, die auf das Rotationszentrum wirkt. Es könnte Reibung (wie ein Auto, das um eine ebene Kurve fährt) oder Spannung (wie ein Kind auf einer Schaukel) oder die Normalkraft (wie eine Salatschleuder) oder eine Kombination von Kräften sein.
Tut mir leid, das sagen zu müssen, aber ich bin ziemlich verwirrt. Dies liegt daran, dass ich unterschiedliche Antworten erhalte und ich jetzt nicht in der Lage bin, den Zusammenhang zwischen allem zu finden, von dem ich überzeugt bin, dass es ihn gibt. Einerseits heißt es, der Tisch verforme sich, was mich denken lässt, wie der Tisch ist verformt wird ... liegt es an elektromagnetischen Wechselwirkungen, dann geht es darum, die Erhaltung von Energie und Impuls zu minimieren, dann denke ich, ist der Impuls linear oder winklig. Was ich sagen möchte, ist, dass ich eine klare Antwort wissen möchte, die die Verbindung zwischen all dem zeigt.

Antworten (3)

"Erstens, was macht die Normalkraft, die nur eine Kraft aufgrund zufälliger elektrischer Wechselwirkungen von Atomen ist, gleich groß wie die Gravitationskraft."

(1) Die normale Kontaktkraft (dies ist ein besserer Name als „normale Reaktion“) ist gleich dem Gewicht eines Körpers im Gleichgewicht auf einer horizontalen Oberfläche. Es ist nicht gleich dem Körpergewicht, wenn der Körper zum Beispiel gerade aus großer Höhe auf der Oberfläche gelandet ist. Auch nicht, wenn die Oberfläche nachgibt!

(2) Aber woher „weiß“ die Oberfläche, wie sie eine normale Kontaktkraft bereitstellen kann, die dem Gewicht entspricht, wenn Gleichgewicht herrscht, unabhängig vom Gewicht des Körpers? Die Oberfläche wird durch den Körper verformt . Es ist, als würde man ein Gewicht an eine Feder hängen. Wenn es sanft gemacht wird, dehnt sich die Feder und die Spannung darin nimmt zu (aufgrund interatomarer Kräfte, wenn Atome weiter als ihre Gleichgewichtspositionen getrennt werden), bis die Spannung gleich dem Gewicht ist. So ist es mit der Oberfläche: Sie verformt sich (vielleicht nicht merklich), bis die normale Kontaktkraft dem Gewicht des darauf liegenden Körpers entspricht.

Seien Sie vorsichtig, @PhilipWood. Die Normalkraft ist nicht gleich dem Gewicht, wenn das Objekt geneigt ist und Haftreibung beteiligt ist (das Objekt kann unter diesen Umständen im Gleichgewicht sein).
Ich bin davon ausgegangen, dass die Fläche horizontal ist. Das hätte ich sagen sollen. Mea culpa.
Wie und warum nimmt diese „Verformung“ der Oberfläche zu (oder ab), wenn das gesamte System beschleunigt (wie im Fall der Beschleunigung des Aufzugs)?
Wenn das System beschleunigt, ist der Körper nicht im Gleichgewicht. Die Kontaktkraft ist größer als das Gewicht, wenn der Körper nach oben beschleunigt, und kleiner als das Gewicht, wenn der Körper nach unten beschleunigt.
@PhilipWood, ich weise auf Ihre verborgene Annahme hin, in der Hoffnung, dass Sie Ihre Antwort aktualisieren, damit andere nicht verwirrt werden. Ich habe nicht nach einer Entschuldigung gesucht. Warum ist mir das wichtig? Weil ich sehe, wie viele Physikstudenten zum ersten Mal davon ausgehen, dass die Normalkraft IMMER gleich dem Gewicht des Objekts ist, und ich bin "sensibilisiert" für eine Antwort, die diese falsche Annahme verstärkt.
@ David White Danke. Ich habe das Wort „horizontal“ eingefügt. Was ich vorhin angeboten habe, war eher ein Schuldeingeständnis als eine Entschuldigung.

aber wie können alle elektrischen Wechselwirkungen zwischen den Atomen so geplant werden, dass sie zu einer Kraft gleich der Gravitationskraft führen?

Ich meine nichts für ungut, aber geplant impliziert Motivation, was keine Physik ist. Das Funktionsprinzip hier ist Minimierung und Erhaltung von Energie und Impuls, nicht mehr als das.

Die zweite Frage, die mir einfällt, die ziemlich albern ist, aber immer noch damit zusammenhängt, ist, dass, wenn ein sehr schwerer Körper auf einem Tisch gehalten wird und der Tisch aufgrund seines Gewichts bricht, es die maximale Normalkraft ist, die der Tisch ausüben könnte geringer als das Gewicht des Körpers war und daher brach.

Ihre Frage ist für mich nicht offensichtlich, es ist ein Gleichgewicht der Kräfte, das ist alles. Ein Tisch kann anfangs ein Gewicht tragen, aber im Laufe der Zeit werden die inneren Verbindungen von beispielsweise einem Holztisch aufgrund von Feuchtigkeit geschwächt und der Tisch versagt. Es treten keine Rätsel- oder Kausalitätsprobleme auf. Ein Ereignis folgt dem anderen.

Eine weitere meiner Fragen, die ich hier zu stellen halte, da alles miteinander verbunden ist, lautet: Wenn ein Körper auf dem Boden eines Aufzugs gehalten wird und eine leichte Kraft auf den Körper einwirkt, ist er nicht groß genug, um den Körper zu bewegen (aufgrund von Reibung), und der Auftrieb beginnt nach unten zu beschleunigen, wobei die Kraft immer noch auf den Körper wirkt, dann nimmt die normale Reaktion zu und die Kontaktkraft bleibt gleich (vorausgesetzt, weil die Oberfläche gleich ist). wird sich die Reibung, die zwischen dem Körper und dem Aufzugsboden wirkt, ebenfalls ändern.

Ich kann dem nicht ganz folgen, bitte entschuldigen Sie, aber ein plötzliches Absinken des Aufzugsbodens nach unten aufgrund von Trägheit führt zu einem kurzen Zeitraum mit verringerter Reibung, da die beteiligten Körper keinen Kontakt haben.

Wie das Streben nach Minimierung der Erhaltung von Energie und Impuls dazu führt, dass die Normalkraft gleich dem Gewicht des Körpers auf einer ebenen Oberfläche ist, und wie ändert eine Änderung des Winkels der Ebene dies auf atomarer Ebene? Tut mir leid, dass ich nicht ganz klar bin, aber das ist es, was ich im Grunde fragen möchte, und die anderen Fragen folgen einfach...
Nun, meine kurze (Entschuldigung) Antwort wäre, dass auf atomarer Ebene klassische Normalkräfte nicht gelten. Die meisten Gleichungen auf der Quantenebene enthalten eine oder mehrere Variablen, die, wenn Sie ihnen ausreichend hohe Werte geben, beginnen, Effekte zu reproduzieren (wie sie es müssen), Effekte, die wir selbst sehen, mit anderen Worten, klassische Effekte, wie z. B. Normalkräfte. Das ist das Korrespondenzprinzip en.wikipedia.org/wiki/Correspondence_principle
Unter Verwendung der Quantenmechanik können wir also begründen, warum die Normalkraft gleich groß ist wie das Gewicht in einer Ebene. Ich möchte nicht wissen, was genau wir tun (weil ich es noch nicht gelernt habe), aber ich möchte wissen, ob es möglich ist, die erforderliche Begründung zu liefern
Außerdem möchte ich in meiner letzten Frage (der Anhebung) fragen, dass sich nicht auch der Kontaktkraftvektor selbst ändern sollte, wenn sich eine Komponente (Normalkraft) der Kontaktkraft ändert, und damit auch die Reibung ist die andere Komponente der Kontaktkraft. Wenn ja, wurden sie experimentell verifiziert?

Erstens, was die Normalkraft ausmacht, die nur eine Kraft aufgrund zufälliger elektrischer Wechselwirkungen von Atomen ist, hat die gleiche Größe wie die Gravitationskraft.

Betrachten wir den Fall eines Objekts, das auf einem Tisch aufbewahrt wird. Zunächst müssen Sie wissen, dass der Tisch selbst im Gleichgewicht ist. Wenn Sie einen Ball darauf legen, übt der Ball aufgrund der Schwerkraft eine Kraft auf den Tisch aus. Dies würde das Gleichgewicht des Tisches stören. Daher verformt sich der Tisch leicht, um sich der neuen Kraft anzupassen und somit eine neue Gleichgewichtskonfiguration einzunehmen. Sie können jetzt sehen, dass die kleine Verformung, die der Tisch erfährt, genau auf eine zusätzliche Kraft der Kugel zurückzuführen ist. So können Sie sich ein Bild davon machen, warum es einen Zusammenhang zwischen der Größe der Aktion und den Reaktionskräften gibt.

Die zweite Frage, die mir einfällt, die ziemlich albern ist, aber immer noch damit zusammenhängt, ist, dass, wenn ein sehr schwerer Körper auf einem Tisch gehalten wird und der Tisch aufgrund seines Gewichts bricht, es die maximale Normalkraft ist, die der Tisch ausüben könnte geringer als das Gewicht des Körpers war und daher brach.

Dies scheint richtig zu sein. Um mit der vorherigen Erklärung fortzufahren, würde dies bedeuten, dass die neue Konfiguration, die der Tisch anzunehmen versucht, nicht durch den internen Mechanismus aufrechterhalten werden kann, der den Tisch zusammenhält. Diese Kräfte sind elektrostatischer Natur.

Nun wird angenommen, dass die Reibungskraft proportional zur normalen Reaktion ist. Das ist Gleitreibung. Genauer gesagt kann die Reibungskraft eine Größe zwischen haben [ 0 , μ N ] , Wo M u ist der Reibungskoeffizient zwischen den Oberflächen und N ist die normale Reaktion. Die Größe dieser Kraft hängt davon ab, wie andere Kräfte auf den Körper wirken, und die Reibung versucht sie nur bis zu einem gewissen Grad auszugleichen. Daher, bis Sie eine Kraft anwenden, die gleich ist μ N , Sie können den Körper nicht bewegen.

Nun zu Ihrer letzten Frage: Es wäre hilfreich, darüber nachzudenken, einen schweren Tisch zu ziehen. Sie üben eine Kraft aus, sagen wir F 0 , können sie aber nicht bewegen. Jetzt legst du 10 Bücher auf den Tisch und versuchst, ihn mit der gleichen Kraft zu bewegen F 0 . Wäre die Reibungskraft in beiden Fällen gleich oder unterschiedlich? Natürlich ist die normale Reaktion auf den Tisch mit Büchern größer als nur ein Tisch. Um dies zu beantworten, müssen Sie nur beantworten, ob der Tisch im Gleichgewicht ist. Ist es? Ja, weil es nicht beschleunigt, obwohl es von mehreren Kräften beaufschlagt wird. Jetzt wird die einzige horizontale Kraft, die Sie anwenden, durch Reibung ausgeglichen. Da Sie die Größe der Horizontalkraft nicht geändert haben, können Sie sagen, dass die Reibungskraft auch gleich ist!

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