6.1 Kraftlikevekt: ΣF = 0
Kapittel 6: Statikk
Se for deg at du skal bygge et hus. Da vil du nok gjerne at det skal bli stående i ro. Da må summen av ytre påvirkning på huset være null. Vi sier at et legeme er i translasjonslikevekt når den samlede kraften som virker på det er null. Fra Newtons 2. lov, \(\sum\vec{F} = m\vec{a}\), ser vi at \(\sum\vec{F}=\vec{0}\) nettopp betyr \(\vec{a}=\vec{0}\): legemet er enten i ro eller beveger seg med konstant hastighet.
Et legeme er i translasjonslikevekt når: \[\sum \vec{F} = \vec{0}\] I to dimensjoner betyr dette to separate ligninger: \[\sum F_x = 0 \qquad \text{og} \qquad \sum F_y = 0\]
Når vi skal løse oppgaver som handler om likevekt, blir framgangsmåten den samme som vi brukte i kapittelet om krefter:
Tegn et fritt-legeme-diagram med alle krefter.
Velg et koordinatsystem og dekomponér kreftene langs aksene.
Sett \(\sum F_x = 0\) og \(\sum F_y = 0\) og løs for de ukjente.
La oss ta et eksempel for å illustrere framgangsmåten.
Eksempel 6.1: Trafikklys
Et trafikklys med masse \(m = 50\,\mathrm{kg}\) henger i to like lange snorer som danner vinkel \(\alpha = 30°\) med horisontalplanet (se figuren under). Finn snorkraften \(S\) i hver snor.
1. Figur: Se figuren i eksempelet.
2. Lov: Systemet er i ro: \(\sum\vec{F}=0\). Symmetri gir \(S_1 = S_2 = S\).
3. Koordinatsystem: \(x\) horisontal, \(y\) vertikal oppover.
4. Dekomponér: \[\begin{aligned} \sum F_x = 0&:\quad -S\cos\alpha + S\cos\alpha = 0 \quad \checkmark \quad \text{(automatisk oppfylt)}\\ \sum F_y = 0&:\quad S\sin\alpha + S\sin\alpha - G = 0 \implies 2S\sin\alpha = m\mathrm{g} \end{aligned}\]
5. Løs for \(S\): \[S = \frac{m\mathrm{g}}{2\sin\alpha} = \frac{50\,\mathrm{kg}\cdot9.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}}{2\cdot\sin 30°} = 490.5\,\mathrm{N} \approx \underline{\underline{4.9\cdot 10^{2}\,\mathrm{N}}}\] Merk at \(\sin 30° = \tfrac{1}{2}\), så snorkraften er nøyaktig lik tyngdekraften. En lavere vinkel \(\alpha\) ville krevd større snorkraft — derav det kjente rådet om ikke å henge noe i nær-horisontale snorer.
Eksempel 6.2: Lampe i to ulike snorer
En lampe med masse \(m = 6.0\,\mathrm{kg}\) henger i ro i to snorer festet i taket. Snor 1 danner vinkelen \(\alpha_1 = 30^\circ\) med horisontalen, og snor 2 danner vinkelen \(\alpha_2 = 60^\circ\) med horisontalen (se figuren).
Tegn kreftene som virker på lampa.
Sett opp likevektsbetingelsene \(\sum F_x = 0\) og \(\sum F_y = 0\).
Finn snorkreftene \(S_1\) og \(S_2\).
a) Tre krefter virker på lampa: tyngdekraften \(\vec{G}\) rett ned, og snorkreftene \(\vec{S}_1\) og \(\vec{S}_2\), som peker langs hver sin snor. Vi velger \(x\)-aksen horisontalt mot høyre og \(y\)-aksen vertikalt oppover.
b) Vi dekomponerer snorkreftene. \(\vec{S}_1\) peker oppover mot venstre, så \(x\)-komponenten er negativ. \(\vec{S}_2\) peker oppover mot høyre: \[\begin{aligned} \sum F_x = 0&:\quad -S_1\cos 30^\circ + S_2\cos 60^\circ = 0\\ \sum F_y = 0&:\quad S_1\sin 30^\circ + S_2\sin 60^\circ - m\mathrm{g} = 0 \end{aligned}\] Lampa henger ikke symmetrisk, så vi kan ikke anta at \(S_1 = S_2\). Vi har to ukjente og to likninger.
c) Fra \(x\)-likningen får vi \(S_2\) uttrykt ved \(S_1\): \[S_2 = S_1\,\frac{\cos 30^\circ}{\cos 60^\circ} = S_1\cdot\frac{0.866}{0.500} = 1.732\,S_1\] Dette setter vi inn i \(y\)-likningen: \[S_1\cdot 0.500 + 1.732\,S_1\cdot 0.866 = m\mathrm{g} \quad\Longrightarrow\quad 2.00\,S_1 = 6.0\,\mathrm{kg}\cdot9.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2} = 58.86\,\mathrm{N}\] \[S_1 = \frac{58.86\,\mathrm{N}}{2.00} = 29.43\,\mathrm{N} \approx \underline{\underline{29\,\mathrm{N}}}\] \[S_2 = 1.732\cdot29.43\,\mathrm{N} = 50.97\,\mathrm{N} \approx \underline{\underline{51\,\mathrm{N}}}\] Den bratteste snora (snor 2) bærer mest av lampas tyngde.
Eksempel 6.3: Bil trukket opp en bakke
En vinsj trekker en bil med masse \(m = 1200\,\mathrm{kg}\) opp en bakke med konstant fart. Bakken har helningsvinkel \(\theta = 20^\circ\), og wiren fra vinsjen er parallell med bakken. Vi ser bort fra friksjon og luftmotstand.
Tegn kreftene som virker på bilen.
Finn normalkraften \(N\) fra bakken på bilen.
Finn kraften \(S\) i wiren.
a) Tre krefter virker på bilen: tyngdekraften \(\vec{G}\) rett ned, normalkraften \(\vec{N}\) vinkelrett ut fra bakken, og wirekraften \(\vec{S}\) langs bakken, oppover. Bilen har konstant fart, så akselerasjonen er null, og etter Newtons 2. lov er \(\sum\vec{F} = \vec{0}\). Bilen er altså i translasjonslikevekt selv om den beveger seg.
Når bakken er skrå, lønner det seg å legge \(x\)-aksen langs bakken og \(y\)-aksen vinkelrett på bakken. Da peker både \(\vec{N}\) og \(\vec{S}\) langs hver sin akse, og bare \(\vec{G}\) må dekomponeres: \[G_x = -m\mathrm{g}\sin\theta \qquad\text{og}\qquad G_y = -m\mathrm{g}\cos\theta\]
b) Vinkelrett på bakken (\(y\)-retning): \[\sum F_y = 0:\quad N - m\mathrm{g}\cos\theta = 0\] \[N = m\mathrm{g}\cos\theta = 1200\,\mathrm{kg}\cdot9.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}\cdot\cos 20^\circ = 11062\,\mathrm{N} \approx \underline{\underline{1.1\cdot 10^{4}\,\mathrm{N}}}\] Normalkraften er altså mindre enn tyngdekraften \(m\mathrm{g} = 11772\,\mathrm{N}\), fordi bare komponenten \(m\mathrm{g}\cos\theta\) presser bilen mot bakken.
c) Langs bakken (\(x\)-retning): \[\sum F_x = 0:\quad S - m\mathrm{g}\sin\theta = 0\] \[S = m\mathrm{g}\sin\theta = 1200\,\mathrm{kg}\cdot9.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}\cdot\sin 20^\circ = 4026\,\mathrm{N} \approx \underline{\underline{4.0\cdot 10^{3}\,\mathrm{N}}}\] Wiren trenger altså bare å dra med omtrent en tredjedel av bilens tyngde. Svaret blir det samme om bilen står i ro, holdt fast av wiren, siden \(\sum\vec{F} = \vec{0}\) i begge tilfeller.
Lampe i to snorer
En lampe med masse \(m = 4.0\,\mathrm{kg}\) henger i ro i to snorer. Snor 1 går horisontalt inn til en vegg. Snor 2 går skrått opp til taket og danner vinkelen \(\alpha = 40^\circ\) med horisontalen.
Tegn kreftene som virker på lampa.
Finn snorkraften \(S_2\) i den skrå snora. (Hint: se på kreftene i \(y\)-retning.)
Finn snorkraften \(S_1\) i den horisontale snora.
a) Tre krefter virker på lampa: tyngdekraften \(\vec{G}\) rett ned, snorkraften \(\vec{S}_1\) horisontalt inn mot veggen, og snorkraften \(\vec{S}_2\) skrått oppover langs snor 2, i vinkelen \(\alpha\) med horisontalen. Vi velger \(x\)-aksen horisontalt bort fra veggen og \(y\)-aksen vertikalt oppover.
b) Lampa er i ro, så \(\sum F_y = 0\). Bare \(S_2\) har en komponent i \(y\)-retning: \[S_2\sin\alpha - m\mathrm{g} = 0 \quad\implies\quad S_2 = \frac{m\mathrm{g}}{\sin\alpha} = \frac{4.0\,\mathrm{kg}\cdot9.81\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}}{\sin 40^\circ} = \underline{\underline{61\,\mathrm{N}}}\]
c) \(\sum F_x = 0\) gir at den horisontale komponenten av \(S_2\) må oppveie \(S_1\): \[S_1 = S_2\cos\alpha = 61.0\,\mathrm{N}\cdot\cos 40^\circ = \underline{\underline{47\,\mathrm{N}}}\]