Sürtünme kuvveti ve Newton yasalarının uygulamaları
Statik ve kinetik sürtünme, eğik düzlem, açılı çekme, masa-makara ve Atwood düzeneği. Vizenin en çok hesap isteyen Newton soruları burada.
Geçen hafta Newton yasalarını sürtünmesiz dünyada kurduk. Gerçek sorularda neredeyse her zaman bir sürtünme (friction) vardır ve vizenin en çok hesap isteyen soruları bu haftadan gelir: eğik düzlem, açılı çekme, masa-makara, Atwood. Hepsinin çözüm yöntemi aynı. Serbest cisim diyagramı, eksen seçimi, her eksende . Bu sayfadaki yeni tek parça, sürtünmenin büyüklüğünü ve yönünü doğru koymak.
Altın kurallar:
- Sürtünme , değil. Önce ‘yi bul.
- Önce statik mi kinetik mi, karar ver. Cisim kayıyor mu, kaymıyor mu?
- Statik sürtünme ihtiyaç kadardır. sadece bir üst sınır.
- Sürtünme kaymaya zıttır. Hareket yönüne değil.
- Bağlı cisimlerde her cisme ayrı diyagram. Aynı ip, aynı , aynı .
Statik ve kinetik sürtünme
İki yüzey birbirine göre kaymıyorsa aradaki kuvvet statik sürtünme (static friction), kayıyorsa kinetik sürtünme (kinetic friction) adını alır.
ve birimsiz sürtünme katsayılarıdır (coefficient of friction). Genelde : bir kasayı harekete geçirmek, hareket halinde tutmaktan zordur.
Statik sürtünme bir eşitsizlik. Masadaki kitabı hafifçe itersen sürtünme tam itme kadardır ve kitap kımıldamaz. İtmeyi artırdıkça sürtünme de artar. en fazla olabilir; bu değer aşıldığı anda cisim kaymaya başlar ve sürtünme ‘ye düşer.
Örnek 1. 30 kg’lık kasa, , . (a) 100 N ve (b) 150 N yatay itme.
N = mg = 30 · 9.80 = 294 N
f_s,max = 0.40 · 294 = 117.6 N
(a) 100 N < 117.6 N → kımıldamaz, f_s = 100 N, a = 0
(b) 150 N > 117.6 N → kayar, f_k = 0.30 · 294 = 88.2 N
a = (150 - 88.2) / 30 = 2.06 m/s²
TUZAK · duran cisme μs N yazmak. (a) şıkkında sürtünme 117.6 N değil, 100 N. Sürtünme itmeden büyük olsaydı kasa sana doğru hızlanırdı. Statik sürtünme sadece kaymanın eşiğinde ‘ye eşittir.
Sürtünmenin yönü
Sürtünme, iki yüzeyin birbirine göre kayma ya da kayma eğilimine zıttır. Yürürken ayağın zemini geriye iter; zemin ayağa ileri yönde statik sürtünme uygular. Araba da aynı şekilde: tekerlek yolu geriye iter, yol arabayı ileri iter. Bu yüzden “sürtünme hep harekete zıt” cümlesi sınavda tuzaktır.
Normal kuvvet her zaman mg değil
Sürtünme ‘ye bağlı olduğu için ‘yi yanlış bulursan bütün soru kayar. Dik eksende ivme yoksa yaz ve ‘yi oradan çek:
| Durum | Normal kuvvet |
|---|---|
| Yatay zemin, sadece yatay kuvvet | |
| Eğik düzlem, açı | |
| Yataydan açıyla yukarı çekme | |
| Yataydan açıyla aşağı itme | |
| Duvara yatay bastırma |
Örnek 2: Açılı çekme. 15 kg’lık kızak, yatayın 25° üstünde 80 N kuvvetle çekiliyor, .
Dikey: N + 80 sin25° - 15 · 9.80 = 0
N = 147 - 33.8 = 113.2 N
f_k = 0.35 · 113.2 = 39.6 N
Yatay: 80 cos25° - 39.6 = 15 a
72.5 - 39.6 = 15 a → a = 2.19 m/s²
Yukarı açılı çekme cismi biraz kaldırır, normal kuvveti ve sürtünmeyi azaltır. Kar kızağını iple yukarı doğru çekmek bu yüzden daha kolaydır.
Eğik düzlemde sürtünme
Eksenler: eğim boyunca, yüzeye dik. , sürtünme .
| Hareket | İvmenin büyüklüğü |
|---|---|
| Aşağı kayıyor | |
| Yukarı kayıyor (yavaşlıyor) | |
| Kayma eşiği (statik) |
Örnek 3. 30° eğimde , blok aşağı kayıyor.
a = 9.80 (sin30° - 0.20 cos30°)
= 9.80 (0.500 - 0.173) = 3.20 m/s²
Yukarı fırlatılan cisimde hem ağırlığın bileşeni hem sürtünme aşağı yönlüdür, yavaşlama daha büyüktür. Tepede durduktan sonra ise geri kaymaya başlar, bu sefer sürtünme yukarı döner.
Örnek 4: Kayıyor mu, kaymıyor mu? 5.0 kg’lık blok, ve olan bir rampaya konuyor. (a) Rampa 25° iken, (b) 30° iken ne olur?
Kayma şartı: mg sinθ > μs mg cosθ ⇔ tanθ > μs
(a) tan25° = 0.466 < 0.50 → blok DURUR
Statik sürtünme ihtiyaç kadar: f_s = mg sin25° = 5.0 · 9.80 · 0.423 = 20.7 N
(Üst sınır μs mg cos25° = 22.2 N, aşılmadı.)
(b) tan30° = 0.577 > 0.50 → blok KAYAR, artık μk geçerli
a = g (sin30° - 0.40 cos30°) = 9.80 (0.500 - 0.346) = 1.50 m/s²
(a) şıkkında sürtünme kuvveti olarak 22.2 N yazmak, Örnek 1’deki tuzağın eğik düzlem versiyonudur. Duran blokta sürtünme, ağırlığın eğim boyunca bileşenini tam dengeleyecek kadardır.
İPUCU · limit testi. koy: çıkmalı. Sürtünmeli aşağı kaymada cevap ‘dan küçük, yukarı kaymada büyük olmalı. Şıkların yarısı bu kontrolle elenir.
Bağlı cisimler
Masa + asılı kütle
masada (sürtünme ), makaradan sarkıyor. Her cisim için ayrı denklem, ivme yönünü + al:
Topla, sadeleşir:
Örnek 5. kg, , kg.
f_k = 0.25 · 4.0 · 9.80 = 9.80 N
a = (19.6 - 9.80) / 6.0 = 1.63 m/s²
T = m2 (g - a) = 2.0 (9.80 - 1.63) = 16.3 N
Kontrol: T = m1 a + f_k = 6.53 + 9.80 = 16.3 N
ise sistem hiç harekete geçmez; önce bunu kontrol et.
Atwood düzeneği
Sürtünmesiz makaradan iki kütle sarkıyor ():
Gerilme iki ağırlığın arasında kalır: . İp, ağır cismi tam taşısaydı sistem ivmelenmezdi.
TUZAK · gerilme = asılı ağırlık. İvmeli sistemde . Asılı cisim aşağı hızlanıyorsa ip onu ağırlığından daha az kuvvetle tutuyor demektir: .
Bağlı cisim sorularında yol haritası
- Her cisim için ayrı serbest cisim diyagramı çiz. Makarayı hafif ve sürtünmesiz kabul et: ipin iki ucunda gerilme aynı.
- Her cisim için “hareket yönü +” seç. Masadaki blokta sağ +, asılı blokta aşağı + gibi. Böylece iki cismin ivmesi aynı işaretli olur.
- Denklemleri topla. İç kuvvet olan sadeleşir ve tek başına kalır. Paydada toplam kütle, payda sistemi hareket ettiren net dış kuvvet vardır.
- ‘yi en basit denklemden çek, öbür denklemle kontrol et.
Bu kalıp her düzeneğe uyar: eğik düzlemdeki blok + asılı kütle için pay olur, payda yine . Sonuç negatif çıkarsa varsaydığın yön yanlıştır; sistem ya diğer yöne gider ya da statik sürtünme yüzünden hiç kıpırdamaz.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| her zaman | ; ‘yi önce dikey dengeden bul |
| Duran cisimde | ihtiyaç kadar; sadece üst sınır |
| Kayan cisimde kullanmak | Kayıyorsa |
| Sürtünme hep hareket yönüne zıt | Kaymaya zıt; yürürken ileri |
| Açılı çekmede | |
| Açılı çekmede yatayda ‘nin tamamı | Yatay bileşen |
| Yukarı kayan cisimde | Sürtünme de aşağı: |
| Kayma eşiğinde | |
| Masa-makarada sürtünmeyi asılı kütleden hesaplamak | Sürtünme masadaki blokta: |
| Atwood’da | , iki ağırlık arasında |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
A 20 kg crate rests on a floor with and . You push horizontally with 80 N. What is the friction force on the crate?
- 98.0 N
- 68.6 N
- 80.0 N
- 0 N
- 196 N
Cevabı göster
Önce kayıyor mu kontrol et: . 80 N < 98 N, kasa kımıldamaz. Statik sürtünme ihtiyaç kadardır: . A: 'yi her zaman maksimum sanmak. B: duran cisme uygulamak. D: duruyorsa sürtünme yok sanmak.
The same 20 kg crate (, ) is now pushed with a horizontal 120 N force. What is its acceleration?
- 6.00 m/s²
- 1.10 m/s²
- 9.43 m/s²
- 2.57 m/s²
- 0
Cevabı göster
120 N > 98 N, kasa kayar ve kinetik sürtünme geçerli olur: . . B: hareket ederken de kullanmak. A: sürtünmeyi unutmak. C: sürtünmeyi kuvvete eklemek.
A 25 kg box is pulled across a floor by a rope with tension 100 N at 30° above the horizontal; . What is the acceleration of the box?
- 0.524 m/s²
- 1.12 m/s²
- 1.66 m/s²
- 3.46 m/s²
- 4.00 m/s²
Cevabı göster
Dikey: , . Yatay: . A: almak. C: yatay bileşen yerine 100 N'un tamamını kullanmak. D: sürtünmeyi unutmak. E: hem açıyı hem sürtünmeyi unutmak.
A block slides down a 35° incline with . What is the magnitude of its acceleration?
- 5.62 m/s²
- 7.63 m/s²
- 3.61 m/s²
- 3.17 m/s²
- 8.03 m/s²
Cevabı göster
. A: sürtünmesiz . B: sürtünmeyi aşağı yönlü almak (yukarı kayan cisim için geçerli). D: sanıp 'yı atmak. E: .
A block placed on a board stays at rest until the board is tilted to 28°, at which point it just begins to slide. What is the coefficient of static friction?
- 0.469
- 0.883
- 1.88
- 0.532
- 0.500
Cevabı göster
Kaymanın eşiğinde , yani . A: . B: . C: (oranı ters kurmak).
In an Atwood machine, masses of 3.0 kg and 5.0 kg hang on either side of a light, frictionless pulley. What is the tension in the string?
- 49.0 N
- 29.4 N
- 36.8 N
- 39.2 N
- 12.3 N
Cevabı göster
. Hafif cisim için: , . Formülle: . A ve B: gerilmeyi bir ağırlığa eşit sanmak (ivmeli sistemde ). E: sadece .
A 6.0 kg block on a horizontal table () is connected by a string over a light pulley to a hanging 4.0 kg block. What is the acceleration of the system?
- 3.92 m/s²
- 3.14 m/s²
- 6.86 m/s²
- 2.74 m/s²
- 5.10 m/s²
Cevabı göster
Sürtünme masadaki blokta: . . A: sürtünmesiz. B: sürtünmeyi asılı kütleyle hesaplamak. C: sadece asılı kütleye bölmek. E: sürtünmeyi eklemek.
A puck is launched up a 20° ramp at 6.0 m/s; . How far along the ramp does it travel before stopping?
Cevabı göster
Yukarı çıkarken hem hem sürtünme aşağı yönlü: . Süre yok: , .
A car traveling at 25 m/s locks its brakes and skids to a stop. If between tires and road, what is the stopping distance?
Cevabı göster
Tek yatay kuvvet sürtünme: . . Kütle sadeleşir.
When you walk forward on a horizontal floor without slipping, the friction force exerted by the floor on your shoe is:
- kinetic friction, directed backward
- static friction, directed backward
- static friction, directed forward
- kinetic friction, directed forward
- zero, because your foot does not slide
Cevabı göster
Ayak zeminde kaymadığı için sürtünme statiktir. Ayağın zemini geriye iter, zemin de ayağa ileri doğru sürtünme uygular. Seni ileri hızlandıran kuvvet budur. "Sürtünme hep harekete zıt" ezberi burada yanlış; sürtünme kaymaya (ya da kayma eğilimine) zıttır.
A 2.0 kg book is pressed against a vertical wall by a horizontal force. If , what is the minimum force that keeps the book from sliding down?
- 7.84 N
- 19.6 N
- 24.5 N
- 49.0 N
- 98.0 N
Cevabı göster
Yatay: . Dikey: ve . Eşikte , . A: (normal kuvveti ağırlık sanmak). B: sadece . C: fazladan 2'ye bölmek.
Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/07.mjs), g = 9.80 m/s².