Kako koristiti fiziku za bijeg iz ledene zdjele

ne znam tko je izmislio ovaj ludi izazov, ali ideja je staviti nekoga u izrezbarenu zdjelu leda i vidjeti može li izaći. Provjerite! Zdjela je oblikovana kao unutrašnjost sfere, tako da što se više penjete po stranama, postaje strmija. Ako mislite da je zaleđeni pločnik sklizak, pokušajte ići uzbrdo po zaleđenom pločniku.

Što učiniti kada se suočite s ovakvim problemom? Vi, naravno, gradite fizički model. Počet ćemo s modeliranjem kako ljudi hodaju po ravnom terenu, a zatim ćemo to primijeniti na sklisku padinu. Zapravo postoje tri moguća plana bijega, a ja sam koristio ovaj model za generiranje animacija tako da možete vidjeti kako rade. Dakle, najprije:

Kako ljudi hodaju?

Kad hodate od ulaznih vrata do poštanskog sandučića, vjerojatno ne razmišljate o mehanici koja je uključena. Riješili ste taj problem kad ste bili dijete, zar ne? Ali to je ono što znanstvenici rade: postavljamo pitanja o kojima se nitko nikada nije zapitao.

Kad smo već kod toga, jeste li se ikada zapitali zašto je led sklizak? Vjerovali ili ne, ne znamo. Izravni razlog je taj što ima tanak, vodenast sloj na površini. Ali zašto? Taj tekući film postoji čak i ispod točke smrzavanja. O tome se fizičari i kemičari raspravljaju stoljećima.

U svakom slučaju, da bismo počeli hodati, potrebna je sila u smjeru gibanja. To je zato što je promjena gibanja vrsta ubrzanja, a Newtonov drugi zakon kaže da je neto sila na objekt jednaka umnošku njegove mase i njegovog ubrzanja (F = ma). Ako postoji ubrzanje, mora postojati i neto sila.

Dakle, koja je to sila koja vas tjera naprijed? Pa, kada napravite korak i odgurnete se stražnjom nogom, vaši mišići primjenjuju silu unatrag na Zemlju. Treći Newtonov zakon kaže da svaka akcija ima jednaku i suprotnu reakciju. To znači da Zemlja vrši a naprijed– sila koja usmjerava natrag na vas, koju nazivamo silom trenja.

Veličina ove sile trenja ovisi o dvije stvari: (1) Specifični materijali u kontaktu, što je obuhvaćeno koeficijentom (μ)—broj obično između 0 i 1, s tim da su niže vrijednosti klizavije, manje prianjajuće. I (2) koliko su te površine gurnute zajedno, što nazivamo normalnom silom (N).

Normalna sila pomalo je čudan koncept za početnike u fizici, pa mi dopustite da objasnim. Normalan znači okomito na kontaktnu površinu. To je sila guranja prema gore koja vas sprječava da proronite kroz pod pod silom gravitacije. Ako stojite na ravnom tlu, ove dvije sile bit će jednake i suprotne, poništavajući jedna drugu, tako da nema vertikalnog ubrzanja.

Posljednja napomena: postoje dvije različite vrste koeficijenata trenja. Jedan je kada imate dva nepomična predmeta, poput krigle piva na šanku, i želite znati koliko jako možete gurnuti prije nego što ga pomaknete. Tu granicu određuje statički koeficijent trenja (μ_s).

Zatim, kada barmen sklizne vašu šalicu niz šipku, otpor trenja—koji određuje koliko daleko ide—određen je kinetički koeficijent trenja (μ_k). To je obično niže jer je lakše držati nešto u pokretu nego pokrenuti.

Dakle, sada možemo kvantificirati statički (F_fs) i kinetička (F_fk) sile trenja: