Als ich über die normale Reaktion für verschiedene Szenarien las, stieß ich auf leichte Verwirrung hinsichtlich ihres Ursprungs.
Angenommen, eine Masse wird auf einer Oberfläche gehalten. Die Masse übt aufgrund ihres Gewichts indirekt eine nach unten gerichtete Kraft aus, und die Oberfläche würde eine Kraft zurück auf die Masse ausüben. Ich frage mich, woher diese Kraft kommt.
Eine Erklärung behauptet, dass diese Kraft von der elektrostatischen Abstoßung zwischen den beiden Massen und dem Ausschlussprinzip herrührt, was offensichtlich richtig klingt.
Eine andere Erklärung nutzt die Tatsache, dass die Masse die Oberfläche ein wenig zusammendrückt, was versucht, sich wieder herzustellen, indem sie die Masse nach oben, dh gegen die Kompression drückt. Dies ist die Quelle der normalen Reaktionskraft.
Mein Zweifel ist, ist es nicht ein bisschen von beiden oben genannten Effekten? Ich habe gesehen, dass alle Quellen eine der beiden obigen Erklärungen verwenden, aber nie beide zusammen. Sollten nicht beide für die Normalkraft verantwortlich sein?
Stellen Sie sich vor, die Oberfläche ist vollkommen starr, es gibt keine Kompression. Es würde immer noch eine Normalkraft auf die Masse ausüben. Aber diese Kraft wäre rein elektrostatisch, da keine Kompression oder Rückstellkraft beteiligt ist.
Im allgemeinen Fall übt die Masse jedoch aufgrund der reinen elektrostatischen Abstoßung eine Kraft auf die Oberfläche aus, die größer ist als die Normalkraft. Daher wird die Oberfläche komprimiert, und die Rückstellkraft tritt in das Gleichgewicht der Kräfte, um beide Körper zur Ruhe zu bringen.
Habe ich also recht, wenn ich folgendes behaupte:
Bei einem vollkommen starren Boden funktioniert nur der erste. Bei einem allgemeinen Boden ist die erste nicht stark genug, um der Kompression zu widerstehen, sodass die zweite Rückstellkraft eingreift, um das System auszugleichen. Wenn beide Kräfte nicht ausreichen, bricht die Oberfläche oder wird durchstochen oder so.
Aber ist es richtig zu bleiben, dass es diese zwei unterschiedlichen Effekte gibt, die die Nettonormalkraft hervorrufen? Dass die Kraft durch elektrostatische Abstoßung und die Rückstellkraft durch Kompression entsteht?
Oder sind beide Effekte dasselbe, was intuitiv keinen Sinn zu machen scheint, da sie unterschiedlichen Ursprungs sind, aber zur Nettonormalkraft beitragen. Die Verwendung nur einer der obigen Erklärungen ist unvollständig. Zum Beispiel wird bei der Erklärung der Rückstellkraft nicht erwähnt, warum ein vollkommen starrer Körper eine Normalkraft ausüben würde. Andererseits verschweigt der rein elektrostatische Ausdruck, warum ein schwerer Gegenstand eine Oberfläche krümmen würde. Wir brauchen eindeutig beide.
Die beiden Erklärungen einer abstoßenden Kraft (elektrostatisch und durch Pauli-Abstoßung entstehend) und einer rückstellenden Kraft (durch Kompression entstehend) sind funktional identisch; die beiden Beschreibungen betonen einfach unterschiedliche Aspekte. Es ist nicht sinnvoll, sie zwei verschiedene Effekte zu nennen und sie zusammenzufügen.
Es hört sich so an, als wäre Ihnen nicht klar, wie sich die elektrostatische Abstoßung mit dem Abstand ändert, und vermuten Sie, dass die Abstoßung allein eine unabhängige Komponente ist, die ein Objekt zum Schweben bringen und jegliche Kompression vermeiden kann. Das ist falsch. Ein Gewicht (im Sinne dieser Fragestellung) führt immer zu einer Stauchung der Stütze.
Gegenargumente auf der Grundlage eines vollkommen starren Materials können verworfen werden*, da ein solches Material nicht existiert.
Ihre verbleibende Frage ist, warum ein schweres Objekt eine Oberfläche biegen würde und wie dies durch elektrostatische Wechselwirkungen erklärt werden kann. Die Antwort ist, dass das System ein Energieminimum findet, in dem die Summe aus dem Gravitationspotential des Objekts und der in den Molekülbindungen gespeicherten Spannungsenergie minimiert ist. Anders ausgedrückt, alle Kräfte enden im Gleichgewicht; wenn ein schwereres Objekt verwendet wird, ist der Molekülabstand kleiner und die Abstoßungskraft größer (wie durch Paarpotentialmodelle quantifiziert ).
*Warum ist das? Warum können wir nicht einfach einen Teil des Problems der Einfachheit halber idealisieren, um Erkenntnisse zu gewinnen? Wir können, aber wir müssen uns dann auf die Idealisierung festlegen; wir können nicht mischen und anpassen. Wenn Sie sagen: "Lasst uns den Träger als vollkommen starr idealisieren", können Sie nicht sagen: "Jetzt stoßen sich die Elektronen innerhalb des Trägers mit Kraft ab ...", weil Sie den Träger bereits durch etwas Nicht-Physisches ersetzt haben – einen magischen Block – der keine Elektronen enthält. Wenn wir zustimmen, dass sich der Träger nicht verformt, können wir nicht über seine konstituierenden Atome sprechen, weil gebundene Atome verformen sich.Wir können nur die Teile des Systems physikalisch untersuchen, die realistisch modelliert bleiben.Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Ergebnisse für eine enorme Stützsteifigkeitvon zu berechnen , sagen. Dies ergibt eine vernachlässigbare Durchbiegung, erlaubt aber dennoch die Berechnung der Dehnungsenergie. Es unterstreicht auch, dass die Rückstellkraft die Abstoßungskraft ist ; sie können nicht entkoppelt werden.
Die Auswirkungen sind nicht eindeutig. Wenn die Oberfläche nicht verzerrt ist, gibt es keine Kraft zwischen den Molekülen (wenn wir die thermische Vibration vergessen). Die Abstoßungskraft entsteht, wenn Sie die Oberfläche zusammendrücken. Je mehr Sie es komprimieren, desto größer wird die Abstoßungskraft zwischen Molekülen.
Alles wird viel klarer, wenn Sie sich die interatomare Kraftkurve ins Gedächtnis rufen . Wenn sich zwei Atome in ihrem Gleichgewichtsabstand befinden, gibt es keine Kraft zwischen ihnen (andernfalls würden sie beschleunigen!). Wenn sie näher zusammengeschoben werden als ihre Gleichgewichtsposition, stoßen sie sich gegenseitig ab. Eine handwinkende Erklärung ist, dass die Elektronenwolke zwischen den Kernen teilweise aus dem Weg geschoben wird, sodass die Kerne nicht vollständig vor der gegenseitigen Abstoßung abgeschirmt sind. Wenn die Atome weiter auseinander gezogen werden (wie wenn ein Draht leicht gedehnt wird), ist die Kraft zwischen ihnen anziehend. [Die intermolekulare Kraftkurve ist der interatomaren Kurve qualitativ ähnlich.]
Evan
Bob D
Nakshatra Gangopadhay
Bob D