Równia pochyła – czym jest i dlaczego to najfajniejszy podjazd w fizyce? 

Co to jest równia pochyła?

Równia pochyła to taki trochę „podjazd marzeń”. Wyobraź sobie gładką, idealną drogę w dół, na której zjeżdżasz na sankach... no właśnie! To jest równia pochyła. Nie wierzysz? Spójrz na obrazek, to od razu załapiesz. Ale, żeby nie było za prosto – fizycy musieli nadać temu specjalną nazwę. Podjazd? Nieee, to byłoby zbyt mainstreamowe!

Dlaczego w fizyce to „równia pochyła”, a nie po prostu „pochyła droga”? 

Bo fizycy to pedanci! Ale tacy pozytywni. Równia pochyła to obiekt IDEALNY. Tak idealny, że ma zawsze taki sam kąt nachylenia (na przykład 30°), a jego powierzchnia jest albo gładka jak lód, albo chropowata jak papier ścierny. W rzeczywistości niestety takie cudo nie istnieje. Podjazdy, które znamy, mają małe odchylenia, nierówności, a czasem nawet kocie łby... ale równia pochyła? To fizyczne marzenie.

Po co rozpatrywać coś, czego nie ma? 

Po co w takim razie rozpatrywać obiekty, które nie istnieją w przyrodzie?

Odpowiedź na to pytanie ociera o głębszy sens istnienia fizyki. Fizyka to nauka „prosta”, rozpatrująca przypadki „proste”. W zasadzie wszystkie przypadki rozpatrywane staramy się upraszać maksymalnie jak się da. Wiele informacji pomijamy uznając je za mało istotne. W taki sposób tworzymy sobie obiekty, które nie są aż tak skomplikowane a nadal w całkiem niezły sposób opisują rzeczywistość. Równia pochyła jest takim przypadkiem.

Jak działa równia pochyła i jakie siły na nią wpływają? 

OK, mamy równię pochyłą, ale co dalej? Czas na małą lekcję o tym, jakie siły tam rządzą. Spokojnie, będzie krótko, wesoło i bezboleśnie!

Poniżej zdjęcie wszystkich sił jakie mogą działać na ciało znajdujące się na równi pochyłej, a pod tym zdjęciem znajduje się objaśnienie dla każdej z nich.  

1. Ciężar – ta siła, która zawsze ciągnie nas w dół 

Ciężar to takie fizyczne „ciągnij w dół”, którego nie unikniesz. Im więcej ważysz, tym mocniej cię ciągnie. Na Ziemi przyspieszenie wynosi 9,81 m/s² – na Marsie jest lżej, na Jowiszu gorzej. Więc jeśli marzysz o „lekkim” życiu, leć na Księżyc! 
Dla przykładu, ciało o masie 10 kg ma ciężar: Q = g * m = 9,81 m/s² * 10 kg = 98,1 N – i teraz wiemy, dlaczego nie lubimy ciężkich zakupów!

Wynik podajemy w niutonach, dlatego że ciężar to jest po prostu siła a siłę podajemy w niutonach.

Każde ciało znajdujące się w polu grawitacyjnym ma ciężar. Ciężar zmienia się w zależności od przyspieszenia danej planety. Np. na Ziemi to samo ciało będzie miało większy ciężar niż na Księżycu czy Marsie, ale zdecydowanie mniejszy niż  np. na Jowiszu. Im większa i cięższa planeta tym przyciąganie takiej planety jest większe, a tym samym ciężar ciała również.

2. Nacisk – czyli siła „przytulania” do powierzchni 

Siła nacisku odpowiada za docisk ciała do powierzchni. Tak intuicyjnie na pewno czujesz, że im większy ciężar tym docisk będzie większy. No właśnie z tego wynika, że i nacisk i ciężar są w pewien sposób ze sobą połączone, a to połączenie można wywnioskować z trygonometrii. Skąd wiem, że akurat to wynika z trygonometrii? Zapamiętaj, jeśli w zadaniu otrzymujesz trójkąt prostokątny i znasz wartość kąta ostrego to na pewno będziesz mógł skorzystać z trygonometrii.

Z tego rysunku widać że spokojnie można skorzystać z cosinusa, aby skorelować ze sobą te dwie siły, bo cw tym przypadku to:

To już łatwo przekształcić i wyciągnąć z tego nacisk.  Poniżej równanie już po przekształceniu

N=cosα*Q

N= cosα*m*g

3. Tarcie – wróg szybkości i przyjaciel bezpieczeństwa 

Tarcie to ta siła, przez którą nie jesteś zawodowym bobsleistą.

Dlaczego uważam, że tarcie jest jedną z najważniejszych sił? Dlatego, że z tarciem związana jest ekonomia. Im większa siła tarcia tym więcej energii trzeba zużyć, żeby np. wprawić ciało w ruch. Jeśli w zadaniach będziesz rozpatrywał równię pochyłą z doskonale gładką powierzchnią czyli z taką, która nie będzie generowała siły tarcia, to po prostu w danym zadaniu siły tarcia na równi pochyłej nie zaznaczasz. Takim odpowiednikiem doskonale gładniej powierzchni jest lód.

Teraz zastanówmy się jak można obliczyć tarcie na równi pochyłej. Od czego może zależeć tarcie? Na pewno im mocniej dociśniemy coś do powierzchni tym trudniej to przesunąć, a więc na intuicję będzie wówczas większa siła tarcia. Z tego wynika, że na tarcie na pewno wpływa siła nacisku, czyli siła zaznaczona na niebiesko „N”. Oprócz tego wiadomo, że na jednych powierzchniach ciało ślizga się łatwiej a na innych trudniej. Im powierzchnia bardziej chropowata tym współczynnik tarcia większy.

Współczynnik tarcia w fizyce zaznaczamy małą literka „f”

T=N*f

Nacisk omówiłem w podpunkcie „b” , tak więc teraz można wstawić tamto równanie do równania na tarcie w wyniku czego otrzymamy:

T= cosα*m*g *f

4. Siła zsuwu – kiedy zaczynasz się toczyć 

To siła, dzięki której zaczynasz się toczyć w dół. Wyobraź sobie, że stoisz na równi pochyłej – jeśli jest wystarczająco stroma i nie ma tarcia, zaczynasz zjeżdżać. Proste? Proste! 

 Wartość tej siły możemy obliczyć korzystając z trygonometrii, dlatego że F_s jest wpisane w trójkąt prostokątny, w którym znamy wartość kąta.

F_s=sinα*Q

F_s=sinα*m*g

5. Siła reakcji podłoża – takie odbicie od ziemi

Wiesz, że jak stoisz na ziemi, to podłoże cię wspiera? Siła reakcji podłoża to fizyczny sposób na powiedzenie „nie dam ci się zapaść w ziemię!”. Opisujemy ją tak samo jak nacisk, bo to siła przeciwdziałająca:

 Z tego wynika, że F_N= cosα*m*g

Równia pochyła w praktyce – dynamika na wesoło 

Skoro już wiesz, jak działają siły, możesz spróbować swoich sił w zadaniach z dynamiki! Zajrzyj do naszych kursów, gdzie krok po kroku pokazujemy, jak to wszystko rozwiązywać. Z nami nie tylko zrozumiesz fizykę, ale i się pośmiejesz. Bo kto powiedział, że fizyka musi być nudna? 

Przykładowe zadanie z dynamiki

https://fizyka-kursy.pl/blog/dynamika

Sprawdź też pełny kurs z dynamiki – ponad 3 godziny wyjaśnień, które uczynią z ciebie fizycznego ninja! Kurs dynamiki online